研究人員在氧還原催化劑方面取得進展

　　催化劑材料在多數的電化學能源轉化裝置中都發揮著至關重要的作用，為高效的能量轉化保駕護航。大氣中無處不在的氧氣是一類常見的氧化劑，因此氧還原反應（oxygen reduction reaction，ORR）在能源設備中的應用極為廣泛，如燃料電池、金屬-空氣電池等。目前，最常用的ORR催化劑依舊是Pt基催化劑。然而，其昂貴的價格(US$ 28.3 g-1 as the 2018 average price)與稀有性(37 ppb in Earth’s crust)，以及在反應環境中的不穩定性，都促使相關領域的研究學者努力尋找更合適的非貴金屬類催化劑作為Pt基催化劑的替代品。其中，金屬-N/C類催化劑材料在近十幾年來得到廣泛研究，被認為是最有希望替代貴金屬的催化劑材料。但是這類相關材料的合成成本高、不穩定易失活及活性位點少的問題始終困擾著其實際應用。金屬氮化物作為一種常見的金屬間隙化合物，由于自身特殊的電子結構和類金屬性質，具有優異的電子傳導能力。其耐腐蝕性、熱穩定性與電化學穩定性都使得該類材料在電化學催化領域中具有極大的應用潛力。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員楊明輝及其科研團隊多年來致力于金屬氮化物的研究及其包括電催化方向在內的多功能應用。楊明輝早在2011年初就發現一種簡單的固固分離法合成大比表面積介孔金屬氮化物材料。此類介孔氮化物具有≤100m-1/g的較高比表面積，且不同于一般的塊體氮化物材料，在化學性質尤其是作為催化劑的性質上具有突出性能。近幾年來，其科研團隊已經對納米二元氮化物（TMN）（TM = Cr，Ti，V，Nb，Ta，W and Mo）和三元氮化物（TiCrN2，TiNbN2，Co3ZnN and Ni3ZnN）等做了系統的研究，并發表多篇SCI學術文章。在近期的研究中，楊明輝帶領團隊采用urea-glass法制備出了一種氮化鋯（ZrN）納米顆粒催化劑，其可以替代甚至超過Pt基催化劑作為堿性環境中ORR催化劑。實驗發現，合成后的ZrN納米顆粒（NPs）具有高的ORR性能，且具有與廣泛使用的Pt/C商業催化劑相當的活性。在0.1M的KOH溶液中，ZrN NPs和商用Pt/C具有相同的半波電勢（E1/2=0.80V），經過在1000個循環后，ZrN（ΔE1/2=-3mV）顯示出比商用Pt/C催化劑（ΔE1/2=-39mV）更高的穩定性。此外，在鋅-空氣電池中，ZrN顯示出比商用Pt/C催化劑更高的功率密度與穩定性。用ZrN代替Pt可降低成本并促進電化學能源設備的使用，并且ZrN在其它催化系統也具有潛在的應用，相關研究成果發布在《自然-材料》（Nature Materails）中。