《摻雜碳基納米結構的氧還原催化作用機理研究》是依託南京大學，由楊立軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：摻雜碳基納米結構的氧還原催化作用機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊立軍
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以資源豐富的廉價材料替代貴金屬鉑基的氧還原電催化劑是燃料電池等能源轉化裝置研究中的長期目標。實驗證明以氮、硼為代表的多種非金屬元素摻入碳材料後可直接將其轉變為氧還原電催化劑。但是由於氧還原過程的複雜性和碳基材料微觀結構的多樣性，其氧還原催化作用機理依然不明確。本項目以多種非金屬元素（硼、氮、氧、磷、硫、碘等）單元及多元共摻雜碳基納米結構為模型，在其上存在各類缺陷（5\7\8圓環，空位和邊界等）的情況下，通過量子化學計算研究在不同酸鹼性和電極電勢作用下的氧還原過程，篩選出具有高催化活性的基團結構，總結出摻雜碳基納米材料氧還原催化作用機理，建立起在分子水平上設計碳基氧還原電催化劑的指導依據，推動碳材料在能源轉化領域中的廣泛套用。
結題摘要
氧還原反應（ORR）是燃料電池等能量轉化裝置中重要的電極反應，一般需在貴金屬鉑催化劑的作用下才能達到實用要求。近年來發現，用富電子的氮和缺電子的硼對sp2碳材料摻雜均可使其在鹼性條件下獲得優異的氧還原性能。因此，以替代貴金屬鉑為目標的碳基無金屬氧還原催化劑的研究成為新的前沿熱點，但對摻雜碳基材料的氧還原催化活性起源還沒有清晰明確的認識。 當多種雜原子同時摻入sp2 碳中，其排列組合會產生多種多樣的可能摻雜構型，這些具有不同摻雜構型的碳材料有著完全各異的電子結構和氧還原中間物種的吸、脫附能力，結合理論計算，將是探索氧還原機理及構效關係、開發新型高活性催化劑的極佳平台。以此為指導，我們首先開展了硼氮共摻雜碳基納米管在鹼性條件下的氧還原性能研究。通過設計實驗，獲得了以硼氮分離及硼氮相鄰為特徵的兩類共摻雜納米管。理論計算表明，這兩類納米管分別對應著共軛π電子被活化和未活化狀態。實驗結果表明π電子被活化的納米管保持了優異的氧還原活性，而未活化的納米管失去了氧還原活性，從而建立了鹼性條件下碳基材料氧還原活性與π電子活化程度的聯繫。根據活化π電子的機制，碳的本徵缺陷也可能引發氧還原活性。因此以碳納米籠材料為平台，通過改變製備條件系統調變了缺陷的種類和數量，觀察到了氧還原活性與碳本徵缺陷的對應關係。僅通過調變缺陷數量，純碳納米籠就可達到與氮摻雜碳納米管相當的活性水平。進一步理論計算表明，碳缺陷結構中的zigzag邊緣缺陷和五元環缺陷具有高氧還原活性。該實驗與理論結果揭示了碳基無金屬氧還原電催化領域長期被忽略的問題——本徵碳缺陷對氧還原電催化活性有至關重要的貢獻。該進展明確揭示了本徵碳缺陷的貢獻，並將碳基無金屬氧還原電催化劑的研究從摻雜碳材料拓展至缺陷碳材料。本項目的研究結果明確了摻雜碳基納米材料氧還原催化作用機理，為後續設計和開發性能優良的新型碳基催化劑（特別是新型燃料電池催化劑）奠定了基礎。
