原鲜霞教授，李仁焕工程师，JMCA 观点：高比表面积石墨氮主导的氮掺杂碳促进氧还原反应

第一作者：Rizwan Haider

通讯作者：原鲜霞*，李仁焕*

单位：上海交通大学，南宁学院

由于阴极反应动力学迟缓，氧还原反应（ORR）被认为是限制氢燃料电池和金属空气电池性能的一个主要因素。目前所使用的Pt/C催化剂存在成本高、资源少、耐久性差等诸多问题。在众多不含铂金属的催化剂中，非金属原子（特别是氮）掺杂碳基ORR催化剂，因为在碱性电解质中所表现出的优异活性和长期稳定性/耐久性而备受瞩目。然而，无金属纳米碳材料往往孔隙率低，导致其比表面积小、可利用活性位点少、电荷转移困难，造成催化性能差的问题。

ZIF-8因其精细的孔径结构和有机配体中丰富的碳、氮含量，已作为3D氮掺杂碳材料的制备前驱体被广泛研究。但大多数ZIF-8衍生碳材料比表面积小（一般低于1000m² g^-1）、石墨氮含量低，导致其ORR反应活性较差。因此，同时实现ZIF-8衍生碳材料的大表面积和高石墨氮含量一直是一项挑战。

近日，来自上海交通大学的原鲜霞教授与南宁学院的李仁焕工程师合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Boosting Oxygen Reduction Reaction using High Surface Area Graphitic-N Dominant Nitrogen Doped Carbon”的观点文章。该文章采用简单的双热解方法制备了高比表面积氮掺杂多孔碳材料（NC-1000），其石墨氮含量为52.4%，比表面积高达 3492 m² g^-1。因为微孔、中孔、大孔与3D导电通道的相互结合，促进了氧扩散和电荷转移，提供了更多的可利用活性位点，NC-1000在被用作ORR催化剂时表现出了与 Pt/C（20 wt.%）相当的ORR 活性，并高于目前所报道的几乎所有氮掺杂碳材料。同样，在耐久性方面，NC-1000的性能表现也优于 Pt/C（20 wt.%）和最近报道的氮掺杂碳催化剂。此外，DFT 计算证实丰富的石墨氮是NC-1000 ORR 性能优异的主要原因之一。

基于实验结果分析，NC-1000 的高 ORR 活性和优异的耐久性可归因于以下三个方面：1) 三维网络结构提供了大量的可利用活性位点和快速反应动力学通道；2) 分级层次化的多孔结构带来了高比表面积；3) 热处理过程中去除了不稳定的弱化学键或表面吸附的氮物种，形成了稳定的石墨化氮活性位点。

ZIF-8 衍生的石墨氮主导的 NC-1000 材料具有高比表面积和多孔结构，在碱性电解液中表现出卓越的 ORR 活性和耐久性

本文提供了一种简便的双热解方法来合成 NC-1000，其石墨氮含量为 52.4%，比表面积高达 3492 m² g^-1。

要点二：优异的ORR催化活性和耐久性

从 E_onset、E_1/2、Tafel 斜率、J_L 和稳定性/耐久性等参数来看，催化剂NC-1000的 ORR 性能与 Pt/C（20 wt.%）相当，优于之前报道的大多数氮掺杂碳材料。

DFT 计算表明，石墨氮是NC-1000中主要的 ORR 活性位点，而吡啶氮只起到降低初始能垒的作用。

“Boosting Oxygen Reduction Reaction using High Surface Area Graphitic-N Dominant Nitrogen Doped Carbon”

原鲜霞：上海交通大学化学化工学院，教授，博士生导师。主要研究领域为电化学新能源系统及其相关材料，具体包括氢能与燃料电池、锂空气电池、锂/钠/钾离子电池、电池回收技术。

李仁焕: 南宁学院交通运输学院，科研与学科建设科科长，工程师。毕业于广西师范学院应用化学专业，主要研究方向为新能源电池及其相关材料、燃料电池催化剂。

Rizwan Haider： 上海交通大学化学化工学院，博士研究生。硕士毕业于费萨拉巴德农业大学（巴基斯坦），2018年加入原鲜霞教授课题组，主要从事非铂催化剂的制备及其在氧还原反应和电催化水分解方面的研究。