碳纳米笼的掺杂调控及其无金属氧还原电催化性能研究

The exploration of metal-free electrocatalysts of fuel cells by doping sp2 carbon materials is the frontier subject today. This project will combine the advantages of the long-term accumulation of this applicant's study on the doped carbon-based nanotubes with our recent technological development of the advanced preparation of carbon nanocages with independent intellectual property rights. By making use of the convenience of doping carbon nanocages with our technique, the mono-doped and co-doped carbon nanocages with N, B, P, S dopants will be prepared in this project to obtain a series of carbon-based nanocages featured with the high specific surface areas, good conductivity, and special porous structures. Both experimental and theoretical studies will focus on understanding the influence of doping components, configurations and synergistic effects on the electrocatalytic performance for oxygen reduction reaction (ORR), as well as the regulation mechanism. Much effort will be devoted to exploring the origin of ORR activity from doping sp2 carbon. Finally, we will design and optimize the advanced ORR electrocatalyst with excellent performance. It is expected that the achievement of this project will greatly extend and deepen the frontier research field of metal-free electrocatalyst, and is also significant for promoting the practical application of fuel cells and related energy conversion systems such as Li-air batteries.

通过掺杂sp2碳材料开发无金属的燃料电池氧还原电催化剂是当今前沿课题。本项目拟将申请人研究掺杂碳基纳米管的多年学术积累与申请人课题组近期发展的具有自主知识产权的碳纳米笼制备技术相结合，利用该技术制备碳纳米笼可方便掺杂的特点，实现其氮、硼、磷、硫等元素的单掺杂及共掺杂，获得比表面积大、导电性好、孔结构独特的系列掺杂碳基纳米笼，通过实验与理论的结合，系统深入地研究不同掺杂组分、掺杂构型、共掺杂协同作用等因素对氧还原电催化性能的影响规律及调控机制，深刻揭示掺杂sp2碳材料产生氧还原活性的根源，设计优化出性能优异的新型无金属氧还原催化剂。本项目的成果可望大大拓展和深化无金属氧还原催化剂前沿领域的研究，对于促进燃料电池及相关能源转化系统（如锂空气电池）的实用化进程也具有重要意义。

燃料电池阴极氧还原铂催化剂的高效利用或替代是人们长期追求的目标，通过掺杂sp2碳材料开发碳基无金属氧还原电催化剂是当今前沿课题。本项目将申请人研究碳基纳米管的多年学术积累与申请人课题组近年来自主开发的碳纳米笼制备技术相结合，利用该技术制备碳纳米笼可方便掺杂的特点，实现其氮、硼、磷、硫等元素的单掺杂及共掺杂，获得比表面积大、导电性好、孔结构独特的系列掺杂碳基纳米笼，通过实验与理论的结合，系统深入地研究不同掺杂组分、掺杂构型、共掺杂协同作用等因素对氧还原电催化性能的影响规律及调控机制，深刻揭示掺杂sp2碳材料产生氧还原活性的根源，设计优化出性能优异的新型无金属氧还原催化剂。本项目的主要研究成果包括：1，掌握了碳基纳米笼制备的制备规律，揭示了模板前驱物、模板、碳纳米笼产物之间的形貌‘遗传’关系，在纳米笼的结构设计、掺杂或共掺杂、参量（粒径、比表面积、密度等）调控方面取得系统化进展，得到了一系列新型碳基纳米笼基础材料，为氧还原催化剂的构建、性能及调控机制研究奠定了坚实基础；2，揭示了本征碳缺陷在高效电催化氧还原反应中的重要作用，在自主开发的具有丰富缺陷的纯碳纳米笼材料中，实验发现了与掺杂碳材料相当的优良氧还原活性，并通过理论计算与zigzag边和五元环缺陷结构相关联。该结果揭示了在碳基无金属氧还原领域被长期忽略的本征碳缺陷对氧还原活性的贡献问题，将研究从掺杂碳材料拓展至缺陷碳材料，为设计高性能碳基无金属氧还原电催化剂提供了科学依据；3，以碳基纳米笼为新型载体构建了系列高效非铂氧还原电催化剂。本项目的成果可望大大拓展和深化碳基无金属氧还原催化剂领域的研究，对于促进燃料电池及相关能源转化系统（如锂空气电池）的实用化进程也具有重要意义。在Adv. Mater./ACS Cataly./Nano Energy等刊物发表23标注论文，被Science、Nat. Rev. Mater.等著名刊物重点引用。应邀在Acc. Chem. Res.撰写了题为“From Carbon-Based Nanotubes to Nanocages for Advanced Energy Conversion and Storage”的综述，在重要国际会议作主题报告及邀请报告10余次。