科技成果

成果简介

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转换效率高和环境友好等优点，是电动汽车的理想动力源。但燃料电池电动汽车（FCV）的商业化,必须解决基于碳载铂(Pt/C)催化剂FCV的高成本问题。

自2009年美国科学家在Science杂志报道氮参杂碳纳米管(NC)具有潜在的氧还原(ORR) 催化活性以来，化学家与材料科学家一直在探寻如何进一步提高NC材料的ORR催化活性的方法，以代替目前燃料电池发动机中的Pt/C催化剂。因此，我们的研究团队基于氮参杂石墨烯(NG)材料，在国际上首次通过“NG分子结构—NG电导率—ORR催化活性”的关联，找到了该科学难题的突破点.我们在分子结构模拟的基础上，认识到三种氮参杂NG材料中，吡啶型和吡咯型具有二维平面结构，使NG保持了石墨烯原有的平面共轭大π键结构，具有良好的导电性，因而具有优异的ORR催化活性；而丁基型NG为三维空间不平整结构，破坏了石墨烯原有的二维平面共轭大π键结构，导电性差，因而ORR催化活性低。因此，有效的氮参杂应以吡啶型和吡咯型为主，尽可能减少甚至杜绝丁基型NG的形成。我们利用层状材料(LM)的层间限域效应，通过调制LM层间距，在LM层间插入苯胺单体,层间聚合，然后热解的方法，获得平面氮参杂达90%以上的NG材料。其催化ORR的半波电位仅比Pt/C催化剂落后60mV，是传统方法下获得的NG材料ORR催化活性的54倍，以该材料为正极催化剂的质子交换膜燃料电池的输出功率达580mW/cm ，与Pt/C催化剂的ORR活性处于同一个数量级，为世界领先水平。我们开发的此类新型NG材料已经具备了在燃料电池发动机中完全替代Pt/C催化剂的可能性。LM层间近乎封闭的扁平反应空间不仅克服了传统开放体系下合成的NG以丁基型为主，导电性差，活性低的弊病，而且也克服了开放体系下因掺N效率低而导致合成NG成本高的问题。该研究成果意味着，长期困扰燃料电池实用化的高成本问题将不再是瓶颈问题。

以层状纳米反应器制备NG的过程示意图