生物质衍生燃料电池阴极碳基催化剂的研究进展

文/刘芳芳，潍坊科技学院化工与环境学院

生物质衍生燃料电池阴极碳基催化剂的研究进展

文/刘芳芳，潍坊科技学院化工与环境学院

目前，全球面临的两个主要问题是能源危机和环境污染。这两个问题均与新型的清洁能源和能源利用技术有关。大力发展氢能与燃料电池技术、大功率的储能技术（如储能电池、超级电容器等）已经成为了世界的共识。在燃料电池和和金属空气电池技术中氧还原反应（ORR）是一个核心过程，其性能取决于电催化剂的活性和稳定性。目前，氧还原反应速率慢，需要大量的贵金属铂来催化加速。随着燃料电池车的商业化Pt价格昂贵，储量稀缺成为其进一步发展的瓶颈。

掺杂碳材料孔隙发达，比表面积大，性能稳定，价格低廉。近年来，世界各国学者均大力发展掺杂碳材料非贵金属催化剂，希望藉此取代铂基催化剂，并取得长足的进步。特别是用过渡金属修饰过的掺氮碳材料，其ORR催化活性已经非常接近Pt/C催化剂。掺杂碳材料被认为是最有可能取代Pt/C催化剂而获得实际应用的非铂催化剂。

生物质是地球上最为广泛存在的物质，且具有可再生性。不同的生物质中含有不同含量和种类的杂原子如：N,O,F,P,S,I等和过渡金属Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mn，Mo等。这些元素在碳化合物中和碳原子微妙的组合，形成各种氧还原、氧析出和化学储能的活性位点。选择合适的生物质，利用生物质本身单元特有的结构特点，并添加合适的有机无机物种是制备各种功能材料的良好选择。以生物质作为原料，充分利用生物质本身资源丰富，价廉易得，结构组成多样性等优势，制备具有特殊结构的杂原子掺杂碳基催化剂已经得到了研究者们的广泛关注，并取得了一定的成果。

1 直接焙烧法

Yu跟他的团队报道了采用天然水藻——裙带菜，不经任何处理活化过程，直接焙烧制取一种具有高孔隙率的碳基物质，这种碳基物质结构中掺杂了海藻本身固有的氮元素及硫元素，形成一种共掺杂结构。研究同时还发现，这种碳基物质对氧还原过程而言是一种高效的非金属催化剂，在碱性介质中其催化性能可与商业铂碳媲美，更具有优异的甲醇渗透性及稳定性。

2 前处理法

生物质可通过在特殊气氛中热解实现杂元素的共掺杂，或者利用活化剂活化造孔，提升其催化性能。Liang等利用家蚕蚕茧直接在氮气气氛中高温焙烧，制备了具有多级孔结构的微米纤维，该催化剂作为binder-free电极具有优越的电化学性能，并对有机蒸汽展现出较好的吸附性能。该方法充分利用了生物质组成和并保留了生物质原本单元具有特色的形貌。

Chen等采用香蒲作为生物质前驱体，直接通过水热碳化、冷冻干燥、NH3气氛高温焙烧，制备合成了一种生物质衍生氮掺杂的具有纳米片结构的纳米孔碳基ORR催化剂。该方法对制备固有的特色结构生物质碳材料进行处理和修饰（如：NH3气氛中），改变了生物质衍生碳材料的组成和微结构。

生物质也可以进行发酵等预先处理使其具备特殊的形貌及结构，提高其性能。Gao等以发酵的大米为初始物质，通过水热碳化及活化剂活化，最后高温下焙烧制备获得了一种高孔隙率，比表面积高达2000 m2g-1以上的氮掺杂碳纳米球催化剂N-CSs。该催化剂具有很好的ORR催化活性，同时具有较高电流容量可以用作电容器。该方法演示了生物质具有特殊属性，可以根据其特点，进行特色的预处理。

3 模板法

除此外，生物质也可以和其他合成材料一样，利用模板剂制备衍生碳材料，使其具备特殊的形貌结构。等用SBA15做模板剂，利用蜂蜜做C源及N源，制备合成了具有有序介孔结构的氮掺杂碳基材料。研究发现，蜂蜜本身所具有的的N元素在制备过程中已被成功的引入到碳晶格中，并主要以吡啶氮的形态存在，使该催化剂具有高的ORR电催化性能。这表明生物质可以和其他合成材料一样使用模版制备碳材料，且能保留生物质特色的组成，有利于制备功能材料。

综上所述，利用生物质的特殊性质，进行技术创新、方法创新、合成路线创新制备各种特殊功能材料已经是当前一大热点。同时，石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构,通过它们之间的协同效应,可以使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，并在燃料电池、超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测等方面有着良好的应用前景。新型生物质衍生燃料电池ORR催化剂材料和大容量储能材料一旦取得突破，将改变现有的能源结构。

[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年潍坊市科技发展计划项目《新型生物质衍生石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及性能研究》，项目编号2016GX069.

刘芳芳，女，1982年出生，山东日照人，潍坊科技学院化工与环境学院教师，讲师，博士，专业方向为燃料电池及电催化。