Energy Technology:金属基氧还原反应催化剂的最新进展与展望

面对传统能源枯竭和全球变暖的挑战,研究人员不得不寻找新的环境友好和可持续的能源和能源转换装置。燃料电池(FC)可以等温地将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能,其本质上是氧化还原反应。燃料电池不受卡诺循环的限制,能量转换率相对较高且对环境友好。尽管燃料电池作为一种新的能源转换装置具有不可预测的前景,但仍有许多瓶颈需要解决。例如,1铂作为阴极催化剂会导致燃料电池的总成本过高,并严重阻碍大规模商用。2阳极动力学速率相对较快,而阴极ORR动力学速率较阳极燃料氧化反应的速率慢。因此,阴极反应是控制燃料电池性能的关键。铂基催化剂的高成本和稀缺性已经成为限制低温燃料电池商业化的瓶颈。因此,新型廉价的非铂催化剂的设计制备已成为未来燃料电池阴极氧还原催化剂研究的主要方向。

ORR的机制非常复杂,包括许多基元反应且不可逆。如果不考虑反应过程的某些细节,则可以将电极上ORR的机理分为间接2e还原和直接4e还原,二者区别在于液相中是否存在过氧化物中间体。O2的间接2e还原会生成中间含氧产物(在酸性介质中形成H2O2,而在碱性介质中形成HO2)。这些中间含氧产物可能逆反应分解形成O2,从而降低了电池的能量转换效率。另一方面,中间含氧产物也可能损坏电池系统并损坏电极。

对新型催化剂的最新研究使我们在理解催化动力学以及对催化剂结构进行一定程度的受控调节以改善催化性能方面取得了长足的进步。青岛大学材料科学与工程学院杂化材料研究院姜倩倩团队通过合理的结构调控或掺杂其他材料可以有效提高铂基催化剂的性能。  纳米催化材料具有更大的比表面积,从而暴露出更多的活性位点和催化活性。Pt原子催化也可以降低催化剂的成本并提高催化活性。但单原子催化剂仍处于初级阶段,这表明单原子催化剂的开发空间仍然很大。

关于无Pt催化剂,非贵金属催化剂(例如,过渡金属氮掺杂碳基催化剂(MN/C),过渡金属化合物(TMO,TMC,TMN/TMNO),LDH)完全消除了对贵金属的依赖性,并表现出出色的ORR催化活性和稳定性。在研究的许多非贵金属催化剂中,M-N / C引起了广泛关注。过渡金属的存在对于原位生成高度石墨化的碳纳米结构是不可替代的,氮掺杂有助于提高电子传导效率。

尽管在金属基ORR催化剂的开发方面取得了重大进展,但对于某些催化剂活性中心的理解仍存在一些争论。面对未来的挑战,研究人员首先需要更先进的表征技术,例如原位表征和工况表征,以便能够直接观察反应历程。其次,理论建模(分子/电子能级模型)和实验研究的互补可以从本质上理解活性中心的结构及其与催化剂结构和组成的关系。最后,进一步探索改进各种纳米结构ORR电催化剂(包括控制尺寸,微观结构,结构组成和表界面工程)。更重要的是,将这些高性能金属基ORR催化剂应用于各种燃料电池的实际装置还有很长的路要走,在工程应用中仍有很大的突破空间。

相关工作以“Recent Advances and Prospects of Metal‐based Catalysts for Oxygen Reduction Reaction”为题,在线的发表在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.201900984?af=R)上。

青岛大学杂化材料研究院成立于2016年3月。本研究院以国际合作为特色,2013年获批国际科技部国家国际高分子杂化材料国际科技合作基地;2016年9月获国家外国专家局批准,入选“国家高分子杂化材料创新引智基地”(111计划),成为我国重点建设的100个国际一流创新引智基地之一。2016年12月获批国家科技部“杂化材料技术国际联合研究中心”。2016年3月,学校批准成立青岛大学杂化材料研究院,使得上述国家级研究和引智平台依托本研究院建设。同时,依托本研究院,青岛大学与美国科罗拉多州立大学签署联合共建“杂化材料技术国际联合研究中心”的协议,意味着在今后的建设中,本基地将在中国和美国同时建设两个部分,在中国依托青岛大学,在美国依托科罗拉多州立大学。

姜倩倩(Qianqian Jiang)是中国青岛大学材料学院国际杂化材料国际联合研究中心副教授。她于2014年获得天津大学化学博士学位。曾在新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院担任客座教授一年多。 她的研究方向主要集中在锂离子电池阳极和阴极材料的制备和改性,光电催化和纳米材料的制备上。

郎鹏(Peng Lang)现在于中国青岛大学材料学院国家杂化材料国际联合研究中心姜倩倩副教授的指导下攻读硕士学位。 他目前的研究方向包括基于LDH基复合材料的合成及其在电化学中的应用。

袁楠楠(Nannan Yuan)现在于中国青岛大学材料学院国际杂化材料国际联合研究中心姜倩倩副教授的指导下攻读硕士学位。 她目前的研究方向是2D复合材料的合成及其在电化学(例如电催化)中的应用。