生物質(zhì)衍生燃料電池陰極碳基催化劑的研究進(jìn)展

文/劉芳芳，濰坊科技學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院

生物質(zhì)衍生燃料電池陰極碳基催化劑的研究進(jìn)展

文/劉芳芳，濰坊科技學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院

目前，全球面臨的兩個(gè)主要問題是能源危機(jī)和環(huán)境污染。這兩個(gè)問題均與新型的清潔能源和能源利用技術(shù)有關(guān)。大力發(fā)展氫能與燃料電池技術(shù)、大功率的儲(chǔ)能技術(shù)（如儲(chǔ)能電池、超級(jí)電容器等）已經(jīng)成為了世界的共識(shí)。在燃料電池和和金屬空氣電池技術(shù)中氧還原反應(yīng)（ORR）是一個(gè)核心過程，其性能取決于電催化劑的活性和穩(wěn)定性。目前，氧還原反應(yīng)速率慢，需要大量的貴金屬鉑來催化加速。隨著燃料電池車的商業(yè)化Pt價(jià)格昂貴，儲(chǔ)量稀缺成為其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

摻雜碳材料孔隙發(fā)達(dá)，比表面積大，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉。近年來，世界各國學(xué)者均大力發(fā)展摻雜碳材料非貴金屬催化劑，希望藉此取代鉑基催化劑，并取得長足的進(jìn)步。特別是用過渡金屬修飾過的摻氮碳材料，其ORR催化活性已經(jīng)非常接近Pt/C催化劑。摻雜碳材料被認(rèn)為是最有可能取代Pt/C催化劑而獲得實(shí)際應(yīng)用的非鉑催化劑。

生物質(zhì)是地球上最為廣泛存在的物質(zhì)，且具有可再生性。不同的生物質(zhì)中含有不同含量和種類的雜原子如：N,O,F,P,S,I等和過渡金屬Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mn，Mo等。這些元素在碳化合物中和碳原子微妙的組合，形成各種氧還原、氧析出和化學(xué)儲(chǔ)能的活性位點(diǎn)。選擇合適的生物質(zhì)，利用生物質(zhì)本身單元特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并添加合適的有機(jī)無機(jī)物種是制備各種功能材料的良好選擇。以生物質(zhì)作為原料，充分利用生物質(zhì)本身資源豐富，價(jià)廉易得，結(jié)構(gòu)組成多樣性等優(yōu)勢，制備具有特殊結(jié)構(gòu)的雜原子摻雜碳基催化劑已經(jīng)得到了研究者們的廣泛關(guān)注，并取得了一定的成果。

1 直接焙燒法

Yu跟他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了采用天然水藻——裙帶菜，不經(jīng)任何處理活化過程，直接焙燒制取一種具有高孔隙率的碳基物質(zhì)，這種碳基物質(zhì)結(jié)構(gòu)中摻雜了海藻本身固有的氮元素及硫元素，形成一種共摻雜結(jié)構(gòu)。研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，這種碳基物質(zhì)對氧還原過程而言是一種高效的非金屬催化劑，在堿性介質(zhì)中其催化性能可與商業(yè)鉑碳媲美，更具有優(yōu)異的甲醇滲透性及穩(wěn)定性。

2 前處理法

生物質(zhì)可通過在特殊氣氛中熱解實(shí)現(xiàn)雜元素的共摻雜，或者利用活化劑活化造孔，提升其催化性能。Liang等利用家蠶蠶繭直接在氮?dú)鈿夥罩懈邷乇簾苽淞司哂卸嗉?jí)孔結(jié)構(gòu)的微米纖維，該催化劑作為binder-free電極具有優(yōu)越的電化學(xué)性能，并對有機(jī)蒸汽展現(xiàn)出較好的吸附性能。該方法充分利用了生物質(zhì)組成和并保留了生物質(zhì)原本單元具有特色的形貌。

Chen等采用香蒲作為生物質(zhì)前驅(qū)體，直接通過水熱碳化、冷凍干燥、NH3氣氛高溫焙燒，制備合成了一種生物質(zhì)衍生氮摻雜的具有納米片結(jié)構(gòu)的納米孔碳基ORR催化劑。該方法對制備固有的特色結(jié)構(gòu)生物質(zhì)碳材料進(jìn)行處理和修飾（如：NH3氣氛中），改變了生物質(zhì)衍生碳材料的組成和微結(jié)構(gòu)。

生物質(zhì)也可以進(jìn)行發(fā)酵等預(yù)先處理使其具備特殊的形貌及結(jié)構(gòu)，提高其性能。Gao等以發(fā)酵的大米為初始物質(zhì)，通過水熱碳化及活化劑活化，最后高溫下焙燒制備獲得了一種高孔隙率，比表面積高達(dá)2000 m2g-1以上的氮摻雜碳納米球催化劑N-CSs。該催化劑具有很好的ORR催化活性，同時(shí)具有較高電流容量可以用作電容器。該方法演示了生物質(zhì)具有特殊屬性，可以根據(jù)其特點(diǎn)，進(jìn)行特色的預(yù)處理。

3 模板法

除此外，生物質(zhì)也可以和其他合成材料一樣，利用模板劑制備衍生碳材料，使其具備特殊的形貌結(jié)構(gòu)。等用SBA15做模板劑，利用蜂蜜做C源及N源，制備合成了具有有序介孔結(jié)構(gòu)的氮摻雜碳基材料。研究發(fā)現(xiàn)，蜂蜜本身所具有的的N元素在制備過程中已被成功的引入到碳晶格中，并主要以吡啶氮的形態(tài)存在，使該催化劑具有高的ORR電催化性能。這表明生物質(zhì)可以和其他合成材料一樣使用模版制備碳材料，且能保留生物質(zhì)特色的組成，有利于制備功能材料。

綜上所述，利用生物質(zhì)的特殊性質(zhì)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、合成路線創(chuàng)新制備各種特殊功能材料已經(jīng)是當(dāng)前一大熱點(diǎn)。同時(shí)，石墨烯和碳納米管復(fù)合材料形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),通過它們之間的協(xié)同效應(yīng),可以使其表現(xiàn)出比任意一種單一材料更加優(yōu)異的性能，并在燃料電池、超級(jí)電容器、太陽能電池、顯示器、生物檢測等方面有著良好的應(yīng)用前景。新型生物質(zhì)衍生燃料電池ORR催化劑材料和大容量儲(chǔ)能材料一旦取得突破，將改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)。

[1]Kuanping Gong,F.D.,1 Zhenhai Xia,2 Michael Durstock,3 Liming Dai1,4*,

[2]Zhao,Y.,et al.,Can boron and nitrogen co-doping improve ox?ygen reduction reaction activity of carbon nanotubes?J Am Chem Soc,2013.135(4):p.1201-4.

2016年濰坊市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目《新型生物質(zhì)衍生石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的制備及性能研究》，項(xiàng)目編號(hào)2016GX069.

劉芳芳，女，1982年出生，山東日照人，濰坊科技學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院教師，講師，博士，專業(yè)方向?yàn)槿剂想姵丶半姶呋?/p>