中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

燃料电池阴极氧还原反应(ORR)是动力学的慢反应，需要使用催化剂加快反应速率以提高电池能量转化效率。目前广泛使用的催化剂是Pt/C，但贵金属Pt 储量少、价格昂贵且易中毒失活。近来发展的杂原子掺杂碳基材料因其成本低及耐燃料中毒失活性能高，被认为是一类有前景的氧电极材料。但该类材料的研究中还存在许多问题亟需解决，主要为活性差，影响活性因素间关系不清楚及不同pH介质中催化位点不明确等。本论文针对以上问题，提出构筑孔结构及N/S共掺杂提高性能的思路，进而通过构效关系分析研究并确立了影响活性因素间关系及不同介质中的催化位点。主要研究内容和结果如下：

1. 非金属软模板方法制备氮掺杂石墨烯，验证氮掺杂石墨烯活性本质来自氮原子而不是金属杂质影响。以层状结构g-C₃N₄聚合物为软模板制备氮掺杂石墨烯，该方法排除了金属杂质对活性影响，验证氮掺杂石墨烯活性源于非金属氮原子掺杂效应。

2. 构筑多孔结构降低传质限制，高表面积提高掺杂基团利用效率以增强ORR活性。利用生物质中无机矿物质盐为自模板制备氮掺杂多孔碳纳米层，其具有多级孔结构和高表面积，在碱介质中ORR半波电势比Pt/C负19 mV。

3. 提出以N/S共掺杂提高氧还原性能。以NaCl自组装为石墨烯结构形成模板制备出N/S 共掺杂石墨烯，并验证了N、S共掺杂协同电子效应对石墨烯ORR性能贡献。同时发现掺杂原子含量/类型、表面积及导电性对ORR 性能有很大影响，三者间的平衡是增强ORR性能的关键。

4. 揭示Fe-N/C在酸碱介质中的氧还原活性位点。利用空间限域效应和温度诱导效应实现了非晶相Fe−N共轭结构和金属相Fe/Fe₃C的分离。 确立Fe-N/C在碱中ORR活性由四面体氮和Fe/Fe₃C共同决定，而在酸介质中起主要作用的催化中心是Fe−N，活性组分催化本质由自身电子结构和反应环境共同决定。