韓開發氮納米摻雜燃料電池

據外國媒體報道：燃料電池內的氧還原反應（ORR）是確定其性能的基本過程。目前，一般使用鉑類催化劑在ORR期間實現高電催化活性，但是鉑的不穩定性和稀缺性使得越來越多的研究人員開始尋找無鉑的替代材料。

日前
，來自韓國的研究人員團隊開發了用於燃料電池ORR反應中的高效無金屬的氮摻雜納米（NNO）催化劑。

氮摻雜被證明是提高材料電催化能力及其ORR效(xiao)率(lv)的(de)有(you)效(xiao)方(fang)法(fa)
，但(dan)是(shi)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)，許(xu)多(duo)已(yi)有(you)的(de)氮(dan)摻(chan)雜(za)碳(tan)基(ji)材(cai)料(liao)沒(mei)有(you)提(ti)供(gong)鉑(bo)基(ji)催(cui)化(hua)劑(ji)中(zhong)顯(xian)示(shi)的(de)效(xiao)率(lv)，且(qie)這(zhe)些(xie)催(cui)化(hua)劑(ji)也(ye)不(bu)易(yi)製(zhi)得(de)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)具(ju)有(you)高(gao)ORR活性的新型非金屬催化劑。

在zai不bu同tong的de方fang法fa中zhong，韓han國guo研yan究jiu人ren員yuan選xuan擇ze製zhi造zao碳tan納na米mi洋yang蔥cong結jie構gou

，並bing用yong氮dan原yuan子zi摻chan雜za以yi實shi現xian有you效xiao的de非fei金jin屬shu基ji催cui化hua劑ji。碳tan納na米mi洋yang蔥cong結jie構gou基ji本ben上shang可ke以yi理li解jie為wei石shi墨mo化hua納na米mi金jin剛gang石shi，納na米mi金jin剛gang石shi是shi具ju有you球qiu形xing納na米mi碳tan結jie構gou，表biao麵mian積ji大da，機ji械xie和he電dian氣qi性xing能neng優you異yi的de碳tan材cai料liao。

由於碳納米洋蔥結構具有較大的表麵積，可顯示出豐富的ORR活huo性xing位wei點dian，但dan是shi由you於yu該gai領ling域yu是shi碳tan材cai料liao研yan究jiu的de新xin領ling域yu，此ci前qian鮮xian有you文wen章zhang進jin行xing這zhe方fang麵mian的de報bao道dao，摻chan雜za對dui碳tan非fei洋yang蔥cong結jie構gou的de影ying響xiang則ze從cong來lai沒mei有you被bei調tiao查zha過guo。

研究人員通過幹式爆炸法合成碳納米金剛石，然後在氮氣下進行退火和冷卻。隨後製備了氧化納米洋蔥結構，然後采用改良的Hummers方fang法fa，與yu尿niao素su混hun合he並bing熱re解jie，產chan生sheng氮dan納na米mi。研yan究jiu人ren員yuan通tong過guo控kong製zhi氧yang化hua納na米mi洋yang蔥cong結jie構gou的de氧yang含han量liang來lai控kong製zhi納na米mi洋yang蔥cong結jie構gou上shang含han氮dan基ji團tuan的de濃nong度du和he摩mo爾er比bi。

研究人員使用眾多設備進行了新材料的表征，包括：拉曼光譜（LabRAM HR800，Horiba Ltd），X射線衍射（XRD，D8-Advance，Bruker-AXS），高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM，JEM-2100F， JEOL），X射線光電子能譜（XPS，（K-Alpha +，Thermo Fisher Scientific）），場發射掃描電子顯微鏡/能量色散X射線光譜（FE-SEM / EDS
，Sigma
，Carl Zeiss）、比表麵積分析儀（BET，3Flex，Micromeritics）。並采用了旋轉圓盤電極（RDE

，RRDE-3A
，ALS Co）和恒電位儀（DY2322，Digi-Ivy）進行電化學測量。

摻雜氮的納米洋蔥結構顯示出比無氮納米洋蔥結構更高的起始電位，此外，納米洋蔥結構的OOR活性可以通過增加納米洋蔥結構中的活性位點，即氮基團的數量來增加。研究人員還發現氮摻雜的納米洋蔥結構在ORR中具有比目前的鉑催化劑更強的穩定性和耐甲醇交換性。

研究人員還發現
，含氧基團和含氮基團的濃度取決於反應時間，反應6個小時後，沒有其他氧基加入到納米洋蔥中。

新材料中的含氮活性位點的絕對量在ORR過程中的增加順序為：NNO-24h 。隨著活性位點的數量增加

，碳納米洋蔥結構的電催化活性得到改善。研究中最多的活性位點NNO-6h顯示了對ORR的電催化活性方麵的最佳性能。

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)表(biao)示(shi)

，雖(sui)然(ran)還(hai)有(you)一(yi)些(xie)工(gong)作(zuo)要(yao)做(zuo)
，但(dan)是(shi)材(cai)料(liao)目(mu)前(qian)與(yu)鉑(bo)基(ji)催(cui)化(hua)劑(ji)可(ke)比(bi)的(de)性(xing)能(neng)以(yi)及(ji)外(wai)來(lai)可(ke)能(neng)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)的(de)潛(qian)力(li)使(shi)得(de)其(qi)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)可(ke)選(xuan)催(cui)化(hua)劑(ji)。材(cai)料(liao)具(ju)有(you)優(you)異(yi)的(de)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)高(gao)甲(jia)醇(chun)交(jiao)聯(lian)性(xing)

，表(biao)明(ming)它(ta)們(men)將(jiang)成(cheng)為(wei)ORR的有效催化劑，從而提高其商業生命力。

參考文獻：

“Fabrication of nitrogendoped nano-onions and their electrocatalytic activity toward the oxygen reduction reaction”- Choi E. Y., and Kim C. K., Scientific Reports, 2017, DOI:10.1038/s41598-017-04597-6