可持续交通：用氮掺杂清除空气

时间：2022-06-01 10:39:54来源：

质子交换膜 (PEM) 燃料电池是一种储能技术，有助于降低交通运输的环境足迹。这些燃料电池利用称为氧还原的化学反应。该反应需要用于广泛商业应用的低成本催化剂。氮掺杂碳就是这样一种催化剂，但氮掺杂如何起作用的化学细节颇具争议。这些知识对于改进 PEM 燃料电池在未来技术中的功能非常重要。

在最近发表在Angewandte Chemie国际版上的一项研究中，筑波大学的研究人员报告了在酸性条件下优化 PEM 燃料电池中的氧还原反应的化学细节。这种配置有助于碳催化剂以使燃料电池发挥作用的方式吸附氧气。

在氮掺杂碳催化剂中，氮可以采用多种键合结构，例如吡啶。多年来，研究人员一直试图确定哪些键合配置是 PEM 燃料电池中电解活性的来源。除非通过控制催化剂上氮原子的键合和晶体取向来阐明反应机制，否则此类研究的结果可能不清楚。

主要作者 Kotaro Takeyasu 教授说：“我们将七个含氮分子沉积在准晶炭黑催化剂上，以制造具有均匀结构的模型催化剂。”“我们发现1,10-菲咯啉，在催化剂的扶手椅边缘有两个吡啶氮原子，就电流密度而言具有最高的活性。”

硫酸使催化剂中的氮原子完全酸化。在氧饱和条件下施加适当的电压后，催化剂中的质子化氮原子被还原。这归因于同时的氧吸附，因为氮饱和条件没有减少。

“密度泛函理论计算还表明，氧吸附促进了完全质子化的氮原子的还原，”资深作者 Junji Nakamura 教授解释说。“因此，氧气吸收到催化剂上，同时，氮原子被还原以进行额外的催化循环。”

目前的 PEM 燃料电池使用铂催化剂。因为铂是一种稀有金属，从长远来看，它对于商业应用来说不是一个现实的选择。因此，铂催化剂不会使 PEM 燃料电池有助于低碳经济。此处描述的研究结果将帮助研究人员提高 PEM 燃料电池碳基催化剂的性能，并提高运输的可持续性。