碳基无金属氧还原电催化机理探究

• 作 者: 杨立军[1]赵宇[1]马延文[2]王喜章[1]胡征[1]
• 机 构: 南京大学化学化工学院,南京汉口路22号,210093
• 出 处: 中国化学会第28届学术年会
• 发表日期: 2012年期

　　氧还原反应是燃料电池、金属空气电池等能源转化系统中的关键电极反应之一,通常使用铂作催化剂。氧还原过程反应速率缓慢,一般需要大量的铂才能保证整个体系的运行效率,[1-3] 铂为稀有资源,且抗CO中毒能力较弱,因此,以替代铂为目标的非贵金属新型电催化剂研究成为人们关注的前沿。近年的实验结果表明,以富电子的N元素或缺电子的B元素对碳纳米管进行掺杂均可使其转化为性能优良的无金属氧还原电催化剂,其抗CO中毒能力尤为优异。[4,5]本文结合最新实验进展,采用第一性原理方法,较为系统地研究了N、B(含不同氧化态)单掺杂及共掺杂的碳纳米管结构,分析了掺杂位、邻近碳原子位的电子结构以及吸附氧分子后电子结构的改变和电荷转移情况,结果表明：富电子N或缺电子B的掺杂均可打破碳纳米管的表面电中性,从而增强氧分子的吸附；N掺杂引入的多余电子和B掺杂引入的空轨道均参与了共轭成键,以不同的方式活化了离域π电子,使其更容易转移至吸附的氧分子而发生还原反应。基于上述认识,我们提出了开发碳基氧还原催化剂的基本策略：1)打破碳材料表面的电中性,创造带正电荷的位点以增强氧分子吸附；2)活化并有效利用碳共轭轨道中丰富的π电子。这两点均可通过对碳材料的适当掺杂得以实现,而不在于杂质原子是富电子或缺电子。因此,有可能在N、B、P等杂原子的单掺杂或共掺杂碳纳米结构中优化出具有重要应用前景的新型氧还原催化剂,这是值得关注的研究方向。