釩調(diào)制鈷-氮-碳催化劑氧還原反應(yīng)性能

楊予琪 張光穎 孫凡飛 梅丙寶 楊 帥 姜 政,4 朱志遠

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

3（黑龍江大學(xué)功能無機材料化學(xué)教育部重點實驗室 哈爾濱150080）

4（中國科學(xué)院上海高等研究院上海同步輻射光源 上海201204）

5（上海科技大學(xué) 上海201210）

高能量密度的燃料電池堆是一種可循環(huán)的化學(xué)能源，對緩解能源危機具有重要意義，已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注［1-3］。自發(fā)狀態(tài)下正極氧還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction，ORR）動力學(xué)過程緩慢，是限制燃料電池轉(zhuǎn)化速率的瓶頸。Pt基催化材料具有優(yōu)異的氧還原活性，通常作為正極催化材料［4-5］。但是Pt催化劑價格高昂，亟待設(shè)計高效、廉價、穩(wěn)定的催化劑降低成本。摻雜雜原子（氮、硫和磷）的碳材料由于其優(yōu)異的電催化活性和較低的成本，已大規(guī)模應(yīng)用于氧還原催化劑的設(shè)計領(lǐng)域［4］。尤其是基于金屬有機框架（Metal-organic Frameworks，MOF）合成的氮摻雜多孔碳材料，其較大的比表面積、豐富的孔道結(jié)構(gòu)和較多的配位鍵，對提高催化反應(yīng)活性和增加反應(yīng)電流密度具有重要作用［6-9］。沸 石 類 咪 唑 框 架 材 料-67（Zeolitic imidazolate framework-67，ZIF-67）是一種重要的MOF材料，由鈷離子和具有分級結(jié)構(gòu)的有機配體組成［10］。在特定溫度下熱解時，ZIF-67中有機配體碳化生成雜原子摻雜的多種碳結(jié)構(gòu)，鈷離子聚合成納米金屬顆粒高度分散在碳載體上，為氧還原反應(yīng)提供了大量活性位點［11］。

然而非金屬摻雜對催化劑活性中心的電子態(tài)調(diào)控并不明顯，阻礙了非貴金屬催化劑的進一步發(fā)展。過渡金屬釩儲量豐富，并且具有豐富的氧化態(tài)和多種電子結(jié)構(gòu)，已在離子電池正極材料、電化學(xué)產(chǎn)氧催化劑等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［12-13］。……