杂原子掺杂多孔石墨烯/碳纳米管复合材料的构筑及其在电催化氧还原中的应用

Recently, various heteroatom (e.g., N, P, B, S, Se) doped carbon materials have been proposed as potential candidates for replacing Pt-based catalysts in fuel cell due to their exhibiting excellent catalytic activities for oxygen reduction reaction (ORR). In this project, by using the methods such as perforation, heteroatom doping and introducing carbon nanotubes (CNTs) into graphene,we design the heteroatom doped porous graphene/CNT composites, which have abundant active sites for catalyzing ORR, rich holes with micro-nano structure and outstanding electron transfer mechanism, and develop a new non-precious metal catalysts (NPMCs) with low cost and high electrocatalytic activity for the application in cathode of fuel cell. After analyzing the corresponding experimental data involving their electrocatalytic properties and structures, we reveal further insight into their formation mechanisms, electron-transfer procedures and electrochemical reaction mechanisms for ORR. Our investigations are believed to be significant because they not only give further insight into the ORR mechanism of the metal-free doped carbon materials, but also provide some beneficial guidelines to fabricate other new low cost NPMCs with high electrocatalytic activity for real FC applications.

近年来，氮、磷、硼、硫、硒等杂原子掺杂的石墨型碳材料都已相继被发现具有优异的氧还原电催化性能，已在燃料电池领域展现了良好的潜在应用前景。本项目以制备低成本、高活性的非贵金属燃料电池阴极催化剂为目的，提出以石墨烯作为基体材料，通过运用将其打孔、杂原子（N、P、B、S、Se等）掺杂、与碳纳米管复合等手段，以开发出基于杂原子掺杂的多孔石墨烯复合材料，并使该合成材料既具有丰富的微纳孔道，又含有大量的杂环催化活性结构，且同时还兼具优异的电子传输机制等特点，力争开发出具有更优异氧还原电催化性能的新材料。此外，本项目还将详细探讨该类复合材料的形成机制，以及各类杂原子掺杂材料的结构和催化性能之间的内在联系，并努力揭示它们在电催化氧还原中的反应机理，在理论上为燃料电池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性问题。杂原子掺杂石墨型材料及它们的过渡金属化合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新型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，主要按照以下三种思路展开研究：（1）通过采用一些简单、绿色且易工业化放大的方法，在国际上率先报道了硫、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”，应用于燃料电池阴极将具有很大的潜在应用前景，其相关研究成果已在ACS Nano、Chem. Commum.、Nanoscale等杂志上发表，并受邀为国际著名电化学能源杂志（Journal of Power Sources）撰写综述。（2）通过采用雾化乙醇辅助热解法，电沉积法等，在碳管上成功复合了多种分散均匀、涂覆高的过渡金属氧化物、硫化物、磷化物等廉价化合物，此大类复合材料在氧还原、氧析出、氢析出等领域展现了好的应用前景，相关研究结果在Advanced Materials、ACS Applied Materials Interfaces等杂志上发表；（3）另外，项目负责人课题组还开展了此大类碳材料在锂硫电池等领域的应用，相关研究结果在Advanced materials、Advanced Energy materials、Journal of Materials Chemistry A等杂志上发表。总之，经过课题组近几年的努力，迄今为止,在该项目的支持下，课题组已在 Advanced materials、ACS Nano、Advanced Energy materials、Small、Chemical communications等国际著名期刊上发表SCI论文25篇，其中IF大于5论文20篇，其相关研究成发表以来，被 Accounts of Chemical Research、JACS、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater等杂志引用2200余次，6篇入选ESI高引论文，3篇入选ESI热点论文.