生物質衍生燃料電池陰極碳基催化劑的研究進展

文/劉芳芳，濰坊科技學院化工與環境學院

生物質衍生燃料電池陰極碳基催化劑的研究進展

文/劉芳芳，濰坊科技學院化工與環境學院

目前，全球面臨的兩個主要問題是能源危機和環境污染。這兩個問題均與新型的清潔能源和能源利用技術有關。大力發展氫能與燃料電池技術、大功率的儲能技術（如儲能電池、超級電容器等）已經成為了世界的共識。在燃料電池和和金屬空氣電池技術中氧還原反應（ORR）是一個核心過程，其性能取決于電催化劑的活性和穩定性。目前，氧還原反應速率慢，需要大量的貴金屬鉑來催化加速。隨著燃料電池車的商業化Pt價格昂貴，儲量稀缺成為其進一步發展的瓶頸。

摻雜碳材料孔隙發達，比表面積大，性能穩定，價格低廉。近年來，世界各國學者均大力發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催化活性已經非常接近Pt/C催化劑。摻雜碳材料被認為是最有可能取代Pt/C催化劑而獲得實際應用的非鉑催化劑。

生物質是地球上最為廣泛存在的物質，且具有可再生性。不同的生物質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、氧析出和化學儲能的活性位點。選擇合適的生物質，利用生物質本身單元特有的結構特點，并添加合適的有機無機物種是制備各種功能材料的良好選擇。以生物質作為原料，充分利用生物質本身資源豐富，價廉易得，結構組成多樣性等優勢，制備具有特殊結構的雜原子摻雜碳基催化劑已經得到了研究者們的廣泛關注，并取得了一定的成果。

1 直接焙燒法

Yu跟他的團隊報道了采用天然水藻——裙帶菜，不經任何處理活化過程，直接焙燒制取一種具有高孔隙率的碳基物質，這種碳基物質結構中摻雜了海藻本身固有的氮元素及硫元素，形成一種共摻雜結構。研究同時還發現，這種碳基物質對氧還原過程而言是一種高效的非金屬催化劑，在堿性介質中其催化性能可與商業鉑碳媲美，更具有優異的甲醇滲透性及穩定性。

2 前處理法

生物質可通過在特殊氣氛中熱解實現雜元素的共摻雜，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氣氣氛中高溫焙燒，制備了具有多級孔結構的微米纖維，該催化劑作為binder-free電極具有優越的電化學性能，并對有機蒸汽展現出較好的吸附性能。該方法充分利用了生物質組成和并保留了生物質原本單元具有特色的形貌。

Chen等采用香蒲作為生物質前驅體，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衍生氮摻雜的具有納米片結構的納米孔碳基ORR催化劑。該方法對制備固有的特色結構生物質碳材料進行處理和修飾（如：NH3氣氛中），改變了生物質衍生碳材料的組成和微結構。

生物質也可以進行發酵等預先處理使其具備特殊的形貌及結構，提高其性能。Gao等以發酵的大米為初始物質，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，同時具有較高電流容量可以用作電容器。該方法演示了生物質具有特殊屬性，可以根據其特點，進行特色的預處理。

3 模板法

除此外，生物質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構。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構的氮摻雜碳基材料。研究發現，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存在，使該催化劑具有高的ORR電催化性能。這表明生物質可以和其他合成材料一樣使用模版制備碳材料，且能保留生物質特色的組成，有利于制備功能材料。

綜上所述，利用生物質的特殊性質，進行技術創新、方法創新、合成路線創新制備各種特殊功能材料已經是當前一大熱點。同時，石墨烯和碳納米管復合材料形成三維網狀結構,通過它們之間的協同效應,可以使其表現出比任意一種單一材料更加優異的性能，并在燃料電池、超級電容器、太陽能電池、顯示器、生物檢測等方面有著良好的應用前景。新型生物質衍生燃料電池ORR催化劑材料和大容量儲能材料一旦取得突破，將改變現有的能源結構。

[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年濰坊市科技發展計劃項目《新型生物質衍生石墨烯/碳納米管復合材料的制備及性能研究》，項目編號2016GX069.

劉芳芳，女，1982年出生，山東日照人，濰坊科技學院化工與環境學院教師，講師，博士，專業方向為燃料電池及電催化。