摻雜石墨烯量子點低溫燃料電池氧還原催化劑研究

《摻雜石墨烯量子點低溫燃料電池氧還原催化劑研究》是依託華中科技大學，由張建擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：摻雜石墨烯量子點低溫燃料電池氧還原催化劑研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張建
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

採用摻雜碳材料替代貴金屬Pt基催化劑對降低燃料電池成本，促進其產業化具有重要的意義。但是，目前摻雜碳材料催化劑面臨的問題是催化活性密度太低，機理不明確。作為碳材料家族的最新一員，石墨烯量子點不但具有二維石墨烯的優異性能，而且由於顆粒尺寸小展現出超高的比表面積可以暴露更多的活性位點，提升催化活性密度；此外，其豐富的表面缺陷有利於異相原子均相摻雜，研究催化機理。因此，本項目擬通過異相原子摻雜石墨烯量子點製備高性能燃料電池催化劑，並研究其催化機理。重點研究不同異相原子摻雜對石墨烯量子點的電子結構、能帶間隙、對氧氣的吸附能的變化規律，並結合電化學性能測試結果和理論計算，揭示異相原子摻雜石墨烯量子點氧還原催化的機理，確立催化活性位點。該項目不但進一步擴寬了石墨烯量子點在新能源領域中的套用，而且對摻雜碳材料的電化學行為具有重要的理論指導意義。

結題摘要

燃料電池具有高能效、環境友好性等特點，被認為是解決能源及環境危機的重要電化學裝置之一。但燃料電池的大規模商業套用，受到貴金屬鉑資源緊缺、價格高昂、耐久性差等問題的嚴重限制。碳納米材料，因為其自身微觀形貌可控、導電性優異、化學穩定、並且具有很好的孔道結構，因而可用作新型燃料電池電催化劑。而對碳納米材料的性能最佳化主要通過結構形貌構築、異質原子摻雜及缺陷工程調控等手段進行。本項目通過合理的結構設計，對碳材料的缺陷度及異質原子摻雜等進行調控，從理論與實驗的角度對富缺陷異質原子摻雜碳材料的電催化氧還原機制進行了較為系統的探究，主要研究成果如下：通過理論模擬探究了缺陷與氮、硫摻雜對碳材料的影響，發現缺陷與摻雜劑共同作用減小了碳基材料的能帶隙，使其發生局域電子重排，可以提升電催化氧還原活性。基於此，我們選擇生物質角蛋白作為碳、氮、硫源，通過預炭化處理轉換成碳材料，再結合氫氧化鉀與氨氣活化作用，獲得了富缺陷氮硫共摻雜的產物。由於具有內部連通的三維孔隙結構、高的比表面積、缺陷度及雜原子摻雜量，這種富缺陷的氮硫共摻雜碳材料顯現出優良的氧還原活性與耐久性，從而驗證了我們的理論預測結果。利用密度泛函理論系統對比了碳五元環拓撲缺陷和普通碳六元環的區別，我們發現碳五元環缺陷具有較小的能隙、更優的電荷密度和更出色的氧親和性，是較為理想的氧還原催化活性位點。繼而選取富含五元環拓撲結構的富勒烯作為原料，在熱解的同時對其進行原位刻蝕，使得五元環結構暴露在重構的碳基材料中，獲得了具有大量本徵五元環拓撲缺陷的產物。我們發現具有本徵五元環缺陷的碳納米材料具有很高的氧還原活性和選擇性，較好地驗證了理論預測結果。而摻氮後的氧還原性能進一步得到了提升，接近商業催化劑的程度，並表現出良好的金屬-空氣電池性能。此外，上述具有五元環拓撲缺陷的材料還展示出不俗的雙電層電容器特徵。這些研究工作對於改善碳基納米材料的電催化活性具有重要的指導意義，也對其設計它能量轉換和存儲領域的電極材料具有一定的借鑑。在本項目支持下，共發表SCI一區論文9篇，其中6篇發表在影響因子大於10的期刊上。