基于氮掺杂碳纳米管阵列非贵金属复合材料的构筑及其氧还原电催化特性研究

氮掺杂碳纳米管阵列（N-ACNTs）由于其优异的电催化特性，已成为了一种在燃料电池领域极具应用前景的新型电催化材料。本项目针对目前燃料电池应用中催化剂成本高的瓶颈性问题,提出以化学气相沉积法制备N-ACNTs作为基体材料,并将其它原本具有电催化活性的非贵金属原位沉积包附于纳米管表面,构筑出一种基于N-ACNTs的同轴阵列复合材料,既充分利用N-ACNT作为载体及催化材料的特有优势，又能实现纳米管与被包裹材料之间的性能优势互补，且还能发挥两相材料之间的协同催化效应,用以实现两相材料性能的"强强联合",起到"1+1>2"的效果，研制出一类具有更优异电催化性能的非贵金属复合材料。此外，本项目还提出通过有目的地对N-ACNTs进行分子结构设计和功能化改性,并结合对其改性产物氧还原电催化特性研究,了解该类材料在氧还原反应中的电子转移方式和电催化反应机制，在理论上为电催化材料的发展提供更多有益的启示。

当前，昂贵的铂催化剂成本已成为了制约燃料电池大规模应用的一个重要瓶颈。杂原子掺杂石墨材料及其过渡金属氧化物复合材料由于其优异的氧还原电催化特性，已成为了一大类极具潜在应用前景的非贵金属燃料电池阴极催化剂。本项目针对当前在该领域研究中所存在的关键科学及技术难题，主要按照以下两种思路展开研究，取得了如下成果：（1）通过采用一些简单、绿色且易工业化放大的方法，首次在国际上报道了硫、硒、碘等杂原子掺杂的多种新型碳材料，电化学性能的测试证实此大类无金属的杂原子掺杂碳材料具有优异的电催化氧还原性能，可作为替代贵金属铂基催化剂的“准铂材料”，其相关研究成果已在ACS Nano、Chem. Commum.和Nanoscale等杂志上发表；（2）该项目负责人由水和乙醇在碳纳米管阵列表面的浸润程度不同而受到启发，提出了一种简单，通用的碳管阵列复合材料的制备方法—雾化乙醇辅助热解法，通过该法，成功制备了多种分散均匀、涂覆高的过渡金属氧化物（MnO2、ZnO、NiO、Fe3O4、TiO2/CNTs阵列复合材料，此外，采用此法制备的MnO2/CNTs阵列复合材料显示了优异的氧还原电催化性能，作为非贵金属燃料电池阴极催化剂展现了好的应用前景，相关研究结果在国际顶级材料期刊Advanced Materials 上发表（刊印中）。经过课题组三年的努力，迄今为止,在该项目的支持下，课题组已在 Advanced materials、ACS Nano、Small等国际著名期刊上发表SCI论文19篇，其中IF大于5论文10篇，其相关研究成果已被 JACS、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater、EES等杂志引用200余次，并被化学和材料界的权威刊物,如Accounts of Chemical Research、Adv. Mater、 Small、EES等的综述文章大篇幅描述和评论, 并受邀为国际著名电化学能源杂志（Journal of Power Sources）撰写综述。此外，课题组在2012年在ACS Nano发表的有关硫掺杂石墨烯在氧还原中的研究工作，在2013年7月入选ESI热点论文（Hot Papers，前0.1%），另外一篇发表在Chem. Commun.上的有关碘掺杂石墨烯的工作入选了ESI高引论文（Highly Cited Papers，前1%）。