寧波材料所在氧還原催化劑方面取得新進(jìn)展
催化劑材料在多數(shù)的電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化裝置中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為高效的能量轉(zhuǎn)化保駕護(hù)航。大氣中無(wú)處不在的氧氣是一類(lèi)常見(jiàn)的氧化劑，因此氧還原反應(yīng)（oxygen reduction reaction，ORR）在能源設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛，如燃料電池、金屬-空氣電池等。目前，最常用的ORR催化劑依舊是Pt基催化劑。然而，其昂貴的價(jià)格(US$ 28.3 g-1 as the 2018 average price)與稀有性(37 ppb in Earth’s crust)，以及在反應(yīng)環(huán)境中的不穩(wěn)定性，都促使相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者努力尋找更合適的非貴金屬類(lèi)催化劑作為Pt基催化劑的替代品。其中，金屬-N/C類(lèi)催化劑材料在近十幾年來(lái)得到廣泛研究，被認(rèn)為是最有希望替代貴金屬的催化劑材料。但是這類(lèi)相關(guān)材料的合成成本高、不穩(wěn)定易失活及活性位點(diǎn)少的問(wèn)題始終困擾著其實(shí)際應(yīng)用。金屬氮化物作為一種常見(jiàn)的金屬間隙化合物，由于自身特殊的電子結(jié)構(gòu)和類(lèi)金屬性質(zhì)，具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力。其耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性都使得該類(lèi)材料在電化學(xué)催化領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用潛力。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所楊明輝研究員及其科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于金屬氮化物的研究及其包括電催化方向在內(nèi)的多功能應(yīng)用。楊明輝早在2011年初就發(fā)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的固固分離法合成大比表面積介孔金屬氮化物材料。此類(lèi)介孔氮化物具有≤100m-1/g的較高比表面積，且不同于一般的塊體氮化物材料，在化學(xué)性質(zhì)尤其是作為催化劑的性質(zhì)上具有突出性能。近幾年來(lái)，其科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)納米二元氮化物（TMN）（TM = Cr，Ti，V，Nb，Ta，W and Mo）和三元氮化物（TiCrN2，TiNbN2，Co3ZnN and Ni3ZnN）等做了系統(tǒng)的研究，并發(fā)表多篇SCI學(xué)術(shù)文章。在近期的研究中，楊明輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用urea-glass法制備出了一種氮化鋯（ZrN）納米顆粒催化劑，其可以替代甚至超過(guò)Pt基催化劑作為堿性環(huán)境中ORR催化劑。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合成后的ZrN納米顆粒（NPs）具有高的ORR性能，且具有與廣泛使用的Pt/C商業(yè)催化劑相當(dāng)?shù)幕钚?。?.1M的KOH溶液中，ZrN NPs和商用Pt/C具有相同的半波電勢(shì)（E1/2=0.80V），經(jīng)過(guò)在1000個(gè)循環(huán)后，ZrN（ΔE1/2=-3mV）顯示出比商用Pt/C催化劑（ΔE1/2=-39mV）更高的穩(wěn)定性。此外，在鋅-空氣電池中，ZrN顯示出比商用Pt/C催化劑更高的功率密度與穩(wěn)定性。用ZrN代替Pt可降低成本并促進(jìn)電化學(xué)能源設(shè)備的使用，并且ZrN在其它催化系統(tǒng)也具有潛在的應(yīng)用，相關(guān)研究成果發(fā)布在Nature Materails（https://www.nature.com/articles/s41563-019-0535-9）中，未來(lái)有望對(duì)清潔能源的發(fā)展起到重要的作用。
ZrN納米顆粒的基本表征
ZrN納米顆粒與商用Pt/C催化劑在堿性環(huán)境中的ORR性能對(duì)比
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