AEM电催化ORR：一种低成本、高活性、耐用的钽-石墨烯复合电催化剂的研制- 大数跨境

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AEM电催化ORR：一种低成本、高活性、耐用的钽-石墨烯复合电催化剂的研制

科学材料站

2020-05-14

导读：本文中，作者展示了如何设计含氮石墨烯负载的Ta基氧化物材料的相组成和结构，以获得在酸性和碱性介质中具有优异的ORR活性、稳定性和甲醇耐受性的复合催化剂。

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加拿大国家科学研究院

导读

氧还原反应（ORR）是可再生能源转换与存储设备（例如燃料电池和金属空气电池）中最重要的反应之一。尤其是汽车使用的聚合物电解质膜燃料电池，已经达到商业化水平。尽管铂族金属（PGM）催化剂有高的催化效率，但高的成本和有限的资源阻碍了其商业化的步伐。因此，人们迫切需要开发低成本，高活性和稳定的非贵金属催化剂来替代PGM。

基于此，加拿大国家科学研究院的Ana C. Tavares，Weichao Wang和Shuhui Sun等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Engineering of a Low-Cost, Highly Active, and Durable Tantalate–Graphene Hybrid Electrocatalyst for Oxygen Reductio”的研究性论文。本文第一作者是Gaixia Zhang。

本文中，作者报道了一种由N掺杂rGO上生长的Na2Ta8O21-x/Ta2O5/Ta3N5纳米晶体组成的新型复合材料，具有优异的催化性能。

关键词

杂化催化剂，金属氮化物，金属氧化物，氧还原反应

背景简介

1. 为什么要研究非贵金属催化剂？

世界范围内的化石能源短缺和相关的环境问题导致人们对可再生能源和清洁能源技术的迫切需要。氧还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池等可再生能源转换和储存装置中最重要的反应之一。特别是用于汽车应用的聚合物电解质膜燃料电池已经达到了商业化的水平。

铂族金属（PGM）催化剂虽然能有效地应对动力学相关的挑战，但由于其成本高、资源有限，极大地阻碍了这些能量转换和储存装置的广泛商业化。因此，开发低成本、高活性、稳定的无铂族金属催化剂，以取代铂族金属催化剂，向氧化还原方向发展是非常有前景的。在过去的几十年中，大量的研究致力于开发替代的低成本催化剂，包括i）非贵铁和钴基金属催化剂， ii）金属氧化物、氮化物和氮氧化物，和iii）无金属催化剂，如碳基材料。

2. 非贵金属催化剂研究进展

4和5族金属（Ti，V，Zr，Nb，Hf，Ta）的氧化物在这些领域引起了人们的兴趣，这主要是因为它们与PGM催化剂相比成本低，环境相容性好，在酸性介质中稳定性好。已经证明，如果这些氧化物的化学计量比能够方便地调整以产生高浓度的缺陷，例如氧空位，则它们对ORR具有一定的活性。这类材料的活性仍然很低，也就是说，它们需要高过电位，即使是为了达到适度的电流密度，并且不能达到通过四电子途径将氧气还原为水所预期的极限电流值：

尽管取得了一些进展，但基于这些氧化物的催化剂活性中心的确切性质尚未完全阐明。此外，这些氧化物的半导体特性要求它们作为纳米粒子分散在导电基底上。这也意味着有机会增加另一个功能，以便为氧还原创造协同效应。在这方面，无PGM的Fe，Co基催化剂中的氮部分已经显示出相关的作用。

核心内容

本文中，作者展示了如何设计含氮石墨烯负载的Ta基氧化物材料的相组成和结构，以获得在酸性和碱性介质中具有优异的ORR活性、稳定性和甲醇耐受性的复合催化剂。密度泛函理论（DFT）计算了Ta基催化相的功函数，结果表明：纳米晶间的电子转移导致其界面形成电荷积累层，从而促进了O2分子的活化，提高了ORR的性能。这种类型的混合催化剂具有很大的灵活性，因为它们可以用于：

1）与质子或阴离子膜结合的燃料电池，以及存在从氢到醇的不同燃料，这些燃料可通过可再生能源供电的电解或二氧化碳和水的共电解等可再生途径获得；

2）其他装置，如金属空气电池，包括锌空气、锂空气、钠空气，等等。

图1. 四种Ta基催化剂的HRTEM图像。

High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images of the four representative Ta-based catalysts, a–d) T1–T4. All oxides and nitride phases are crystalline and were indexed to orthorhombic crystal structures (JCPDS: 28–1137; JCPDS: 25–0922; JCPDS: 19–1291). The lattice plane identification in the HRTEM images is in white for Na2Ta8O21−x, in yellow is for Ta2O5, and in green is for Ta3N5.

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000075