碳納米籠的摻雜調控及其無金屬氧還原電催化性能研究

《碳納米籠的摻雜調控及其無金屬氧還原電催化性能研究》是依託南京大學，由胡征擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米籠的摻雜調控及其無金屬氧還原電催化性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡征
• 依託單位：南京大學

項目摘要

通過摻雜sp2碳材料開發無金屬的燃料電池氧還原電催化劑是當今前沿課題。本項目擬將申請人研究摻雜碳基納米管的多年學術積累與申請人課題組近期發展的具有自主智慧財產權的碳納米籠製備技術相結合，利用該技術製備碳納米籠可方便摻雜的特點，實現其氮、硼、磷、硫等元素的單摻雜及共摻雜，獲得比表面積大、導電性好、孔結構獨特的系列摻雜碳基納米籠，通過實驗與理論的結合，系統深入地研究不同摻雜組分、摻雜構型、共摻雜協同作用等因素對氧還原電催化性能的影響規律及調控機制，深刻揭示摻雜sp2碳材料產生氧還原活性的根源，設計最佳化出性能優異的新型無金屬氧還原催化劑。本項目的成果可望大大拓展和深化無金屬氧還原催化劑前沿領域的研究，對於促進燃料電池及相關能源轉化系統（如鋰空氣電池）的實用化進程也具有重要意義。

結題摘要

燃料電池陰極氧還原鉑催化劑的高效利用或替代是人們長期追求的目標，通過摻雜sp2碳材料開發碳基無金屬氧還原電催化劑是當今前沿課題。本項目將申請人研究碳基納米管的多年學術積累與申請人課題組近年來自主開發的碳納米籠製備技術相結合，利用該技術製備碳納米籠可方便摻雜的特點，實現其氮、硼、磷、硫等元素的單摻雜及共摻雜，獲得比表面積大、導電性好、孔結構獨特的系列摻雜碳基納米籠，通過實驗與理論的結合，系統深入地研究不同摻雜組分、摻雜構型、共摻雜協同作用等因素對氧還原電催化性能的影響規律及調控機制，深刻揭示摻雜sp2碳材料產生氧還原活性的根源，設計最佳化出性能優異的新型無金屬氧還原催化劑。本項目的主要研究成果包括：1，掌握了碳基納米籠製備的製備規律，揭示了模板前驅物、模板、碳納米籠產物之間的形貌‘遺傳’關係，在納米籠的結構設計、摻雜或共摻雜、參量（粒徑、比表面積、密度等）調控方面取得系統化進展，得到了一系列新型碳基納米籠基礎材料，為氧還原催化劑的構建、性能及調控機制研究奠定了堅實基礎；2，揭示了本徵碳缺陷在高效電催化氧還原反應中的重要作用，在自主開發的具有豐富缺陷的純碳納米籠材料中，實驗發現了與摻雜碳材料相當的優良氧還原活性，並通過理論計算與zigzag邊和五元環缺陷結構相關聯。該結果揭示了在碳基無金屬氧還原領域被長期忽略的本徵碳缺陷對氧還原活性的貢獻問題，將研究從摻雜碳材料拓展至缺陷碳材料，為設計高性能碳基無金屬氧還原電催化劑提供了科學依據；3，以碳基納米籠為新型載體構建了系列高效非鉑氧還原電催化劑。本項目的成果可望大大拓展和深化碳基無金屬氧還原催化劑領域的研究，對於促進燃料電池及相關能源轉化系統（如鋰空氣電池）的實用化進程也具有重要意義。在Adv. Mater./ACS Cataly./Nano Energy等刊物發表23標註論文，被Science、Nat. Rev. Mater.等著名刊物重點引用。應邀在Acc. Chem. Res.撰寫了題為“From Carbon-Based Nanotubes to Nanocages for Advanced Energy Conversion and Storage”的綜述，在重要國際會議作主題報告及邀請報告10餘次。