新型石墨炔基氧还原电催化材料的制备及性能研究

The proposal consists in the synthesis of heteroatom (N，F，B，P，I，S，Fe，Co or Mn etc.)-doped/co-doped graphdiynes and their composites as platinum-free electrocatalysts for high-performance oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cell. First of all, a class of novel heteroatom -doped/co-doped graphdiynes as non noble metal or metal-free electrocatalysts would be synthesized by hydrothermal or high-temperature treatment. Then, under the base of these works, the second (the transition metal oxide nanoparticles, quantum dots or metal nanoparticles) or third element (polyoxometalates), could be induced in the hybrid to get multi-components nanohybrid. The application of the nanohybrid in electrocatalytic ORR will be stuided, also the role of the heteroatom and the synergistic effects of different components toward ORR will be examined.

本项目着眼于开发新型的杂原子(N，F，B，P，I，S，Fe，Co或Mn等)单掺杂或共掺杂石墨炔及其复合材料，并研究所制备材料作为无铂的廉价高活性电催化剂在燃料电池阴极氧气还原反应（ORR）中的应用。首先，通过水热或高温煅烧处理等方法，制备出一系列新型杂原子掺杂石墨炔基非贵金属或无金属ORR电催化剂。进一步，在杂原子掺杂石墨炔基底上引进第二元（过渡金属氧化物纳米粒子、量子点或金属纳米粒子）或第三元（无机杂多酸）组分，构筑石墨炔基纳米复合材料，研究所制备材料的电催化ORR活性，探讨所掺杂元素对ORR活性的影响，考察复合材料中各组元在电催化中的协同增强效应。本研究有望获得一类全新的功能电催化材料，为发展新型无铂ORR电催化剂开辟新的途径。

燃料电池和金属-空气电池大规模商业化应用面临的最大挑战是阴极氧气还原反应（ORR）新型廉价电催化剂的开发。目前，人们已经在开发新型廉价、无铂、高效的ORR催化剂中做了很大的工作。其中，杂原子掺杂的碳材料（包括石墨烯以及碳纳米管）引起了人们广泛的研究兴趣，其表现出了与商业化Pt/C材料相近的性能。而石墨炔（GD）是一种新型的2-D碳材料，其同时具有sp与sp2杂化的碳，完美的GD是一种全碳分子。由于GD网络中苯环之间有双炔键，因此其网络框架中具有2.5 Å的孔径，这显然有助于氧气进入到石墨炔的网络结构中，因此GD材料可能在电催化ORR中具有天生的优势。本项目按预定计划三年内顺利完成，我们采用高温煅烧石墨炔的方法，在氨气气氛下同时引入含B、F以及S的前驱体，成功制备了新型的杂原子(N，F，B，S等)单掺杂或双掺杂石墨炔及其复合材料，该类型材料，尤其是N、F双掺杂的GD作为无铂的廉价高活性电催化剂在燃料电池阴极氧气还原反应（ORR）中显示了很高的活性，在实际燃料电池中具有很好的应用前景，为发展新型无铂ORR电催化剂开辟新的途径。发表论文10篇，其中SCI论文8篇，其中包括IF>25的期刊上1篇（Energy & Environ. Sci), IF>8的期刊上发表2篇，培养博士生一名。