單原子碳基催化劑在氧還原中的應用

＊何雪東

（溫州大學 浙江 325035）

目前，人類所依賴的能源主要來自于化石資源，隨著化石資源的消耗和環境問題的日益凸顯，開發一種新型能源就顯得尤為重要。其中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種新興的能源，具有能量密度高，高效率的能量轉換，沒有污染氣體的排放等優點在新能源汽車和其他電力系統具有廣泛的應用場景。在過去，PEMFC中的空氣電極催化劑都是使用的貴金屬鉑系催化劑，Pt仍然是ORR中，最為理想的催化劑，也是目前實際應用最多的催化劑。但是，Pt的價格高昂，并且對CO等物質特別敏感。成本高，穩定性差使得Pt作為實際應用很難得到普及。所以開發無金屬或過渡金屬催化劑對于ORR具有指導性作用。

最近幾年，M-N-C型碳材料被譽為最有前途在酸性條件下代替Pt基材料的ORR催化劑[1]。它與過渡金屬負載碳基材料催化劑最大的區別是，前者是以MNx等方式原子級分散在整個碳矩陣當中，后者大多數以納米顆粒或者被碳材料所包覆的納米團簇。M-N-C被廣泛研究的原因是因為除了它以外無貴金屬材料在酸性條件下的ORR表現不是令人滿意的。其實碳材料在堿性條件下RDE測試早已可以媲美商業Pt/C[2-3]。不幸的是，雖然堿性燃料電池（AFC）中的陰極活化過電壓明顯低于相同溫度的酸性燃料電池，但是KOH溶液作為電解質，燃料必須是氫氣，而且運行時必須保證定期除水，定期補充KOH，這極大的限制了AFC的實際應用[4]。得益于20世紀Nafion的發明，PEMFC運行過程中，擺脫了溶液作為電解液，并且對CO2等氣體的耐受性遠高于AFC。……