發(fā)布：新聞經(jīng)緯訊,材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 時(shí)間：2019-03-07
近日，我校材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室木士春教授在碳納米材料電化學(xué)反應(yīng)性研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果已在國際化學(xué)頂級期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上在線發(fā)表（Effects of Intrinsic Pentagon Defects on Electrochemical Reactivity of Carbon Nanomaterials. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 10.1002/anie.201813805.）
氫燃料電池由于具有清潔、高效和安全等特性，被認(rèn)為是新能源汽車的未來。對于燃料電池，陰極氧還原反應(yīng)（ORR）非常重要，是反應(yīng)速率的決定步驟。然而，目前商用的氧還原催化劑為鉑基貴金屬材料，不僅價(jià)格昂貴，資源稀缺，而且循環(huán)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重限制了燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，非貴金屬氧還原催化劑已成為人們研究的熱點(diǎn)。近年來的研究表明，通過對碳材料進(jìn)行異質(zhì)原子摻雜或缺陷工程調(diào)控，可賦與其高的氧還原活性。其中，碳晶格拓?fù)渥冃危ㄌ嘉逶h(huán)、七元環(huán)、Stone-Wales缺陷等）可有效調(diào)節(jié)碳基面的荷電狀態(tài)，但能否促進(jìn)碳材料的電化學(xué)反應(yīng)性仍缺乏有效證據(jù)。
對此，我校木士春教授課題組開展了碳晶格拓?fù)淙毕莨こ痰碾娀瘜W(xué)反應(yīng)性研究。首先，他們通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，碳五元環(huán)（C5）可誘導(dǎo)碳層的局域電荷重排，相較碳六元環(huán)（C6）具有更大的電荷密度分布、更窄的能帶隙以及更高的氧結(jié)合能，是理想的氧還原反應(yīng)催化活性中心。為了獲得富C5缺陷的碳材料，他們巧妙地選擇了具有本征C5結(jié)構(gòu)的富勒烯（C60）為原材料，通過高溫原位堿刻蝕處理，獲得了富含C5缺陷的碳材料。電化學(xué)測試表明，C5拓?fù)淙毕萏疾牧暇哂蓄愃沏K基催化劑的4電子反應(yīng)機(jī)制，可促進(jìn)氧還原，而且較商業(yè)Pt/C催化劑表現(xiàn)出了更優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和抗中毒性能。此外，C5拓?fù)淙毕莸拇嬖谶€還顯著提高了碳材料的雙電層電容特性。
該項(xiàng)研究證明了本征五元環(huán)缺陷具有高的電化學(xué)反應(yīng)性。研究成果為設(shè)計(jì)、構(gòu)筑高性能碳基電催化劑和儲能電極材料提供了新的思路。論文第一作者為我校碩士研究生朱加偉，博士研究生張建（現(xiàn)為華中科技大學(xué)博士后）參與了部分研究工作。
