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[材料资讯] 杨明辉课题组Nature Materails:氧还原催化剂方面取得进展

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发表于 2019-11-25 17:05:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
催化剂材料在多数的电化学能源转化装置中都发挥着至关重要的作用,为高效的能量转化保驾护航。大气中无处不在的氧气是一类常见的氧化剂,因此氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)在能源设备中的应用极为广泛,如燃料电池、金属-空气电池等。目前,最常用的ORR催化剂依旧是Pt基催化剂。然而,其昂贵的价格(US$ 28.3 g-1 as the 2018 average price)与稀有性(37 ppb in Earth’s crust),以及在反应环境中的不稳定性,都促使相关领域的研究学者努力寻找更合适的非贵金属类催化剂作为Pt基催化剂的替代品。其中,金属-N/C类催化剂材料在近十几年来得到广泛研究,被认为是最有希望替代贵金属的催化剂材料。但是这类相关材料的合成成本高、不稳定易失活及活性位点少的问题始终困扰着其实际应用。金属氮化物作为一种常见的金属间隙化合物,由于自身特殊的电子结构和类金属性质,具有优异的电子传导能力。其耐腐蚀性、热稳定性与电化学稳定性都使得该类材料在电化学催化领域中具有极大的应用潜力。

氧还原催化剂

氧还原催化剂
  中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员杨明辉及其科研团队多年来致力于金属氮化物的研究及其包括电催化方向在内的多功能应用。杨明辉早在2011年初就发现一种简单的固固分离法合成大比表面积介孔金属氮化物材料。此类介孔氮化物具有≤100m-1/g的较高比表面积,且不同于一般的块体氮化物材料,在化学性质尤其是作为催化剂的性质上具有突出性能。近几年来,其科研团队已经对纳米二元氮化物(TMN)(TM = Cr,Ti,V,Nb,Ta,W and Mo)和三元氮化物(TiCrN2,TiNbN2,Co3ZnN and Ni3ZnN)等做了系统的研究,并发表多篇SCI学术文章。在近期的研究中,杨明辉带领团队采用urea-glass法制备出了一种氮化锆(ZrN)纳米颗粒催化剂,其可以替代甚至超过Pt基催化剂作为碱性环境中ORR催化剂。实验发现,合成后的ZrN纳米颗粒(NPs)具有高的ORR性能,且具有与广泛使用的Pt/C商业催化剂相当的活性。在0.1M的KOH溶液中,ZrN NPs和商用Pt/C具有相同的半波电势(E1/2=0.80V),经过在1000个循环后,ZrN(ΔE1/2=-3mV)显示出比商用Pt/C催化剂(ΔE1/2=-39mV)更高的稳定性。此外,在锌-空气电池中,ZrN显示出比商用Pt/C催化剂更高的功率密度与稳定性。用ZrN代替Pt可降低成本并促进电化学能源设备的使用,并且ZrN在其它催化系统也具有潜在的应用,相关研究成果发布在《自然-材料》(Nature Materails)中。
        [color=rgb(41, 102, 202) !important]论文链接


       氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)是金属-空气电池以及燃料电池实现能源转化的重要反应。氧气经过二电子过程形成过氧化物或经过四电子过程形成水完成电子转移。氧还原反应路径较复杂,中间体生成较多,反应活化能较高,本征动力学速率缓慢,因而氧还原反应效率成为限制两类器件性能的关键因素。传统的铂、铂合金以及其他贵金属催化剂具有良好的氧还原催化活性但成本高昂、储量稀缺,且在工作环境中易发生毒化现象(如受到甲醇、CO影响),从而使其规模化应用受到限制,从成本和可持续发展的角度来看,发展高性能(兼具高活性和高稳定性)、低成本的氧还原电催化剂是推动燃料电池以及金属-空气电池发展的重要方向之一。


        杨明辉、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员、博士生导师,先后在英国利物浦大学化学系获得学士、硕士学位,2010年在英国爱丁堡大学化学系获得博士学位。2010 - 2013年在美国康奈尔大学化学系能源材料研究中心从事新能源材料研究工作。2013年12月回到中科院工作,任固体功能材料研究团队负责人,研究员。2014年获得辽宁省百千万工程人才计划(万人层次),2015年获得中国科学院沈阳分院优秀青年科学家,宁波市领军拔尖人才(第一层次),并作为项目负责人获得宁波市3315创新团队B类支持。杨明辉博士从事固体材料科研工作十余年,主要集中在固体功能材料的设计、合成、晶体结构解析、形貌控制和应用研究,代表工作包括发现超巨磁电阻混合金属氮(氧)化合物,高压合成混合金属氮(氧)化合物,氮、氧在固体材料中的有序排列,固相分离法制备介孔氮化物和金属氮(氧)化物在催化和传感等方面的应用,相关成果在Nature Chemistry,Journal of the American Chemical Society,Energy & Environmental Science,Chemistry of Materials,Chemical Communication,ACS Nano等杂志上发表文章81篇,申请发明专利22项,并获得PCT国际专利1项。

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