青島能源所在非貴金屬電催化劑研究中取得系列進展

　　貴金屬催化劑（如鉑，Pt）具有很高的催化活性，是電化學能量轉換與儲能過程的核心材料，但高昂的成本限制了其在產業化中的廣泛應用。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所仿生能源系統團隊負責人崔光磊等，對金屬氮化物（TiN、MoN等）、氧化石墨烯等非貴金屬納米結構材料進行了系列研究，成果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem.、Carbon和Energy Environ. Sci.等期刊。

　　氮化鈦（TiN）具有類似于貴金屬的電子結構，具有納米管或介孔球等特殊形貌的氮化鈦對I-/I3-氧化還原電對表現出良好的催化性能，其作為對電極材料的染料敏化太陽能電池表現出良好的光電轉換效率。TiN納米材料與高分子導電聚合物的復合對電極，解決了因納米顆粒的晶界限制導致電子傳輸性能差的問題，同時縮短離子傳輸路徑，大大提高了催化性能，其光電轉換效率達到7.06%，能與對電極相媲美（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 1087）。

　　為了進一步提高TiN的催化性能，該團隊采用胺氰作為形貌控制劑制備有序的TiN介孔球電極，通過調控其結構增強其光反射性能，提高光利用率。研究表明，TiN介孔球電極其短路電流、開路電壓和轉換效率都得到了較大提高，其中，粒徑較大（~800nm）的TiN介孔球電極的光電轉換效率因為光反射的特殊設計比傳統Pt對電極提高了30%左右（J. Mater. Chem., 2012, 22, 6067）。

　　氮化鉬（MoN）材料因其能帶結構與貴金屬類材料類似，有望成為一種理想的非貴金屬催化劑。該團隊將MoN納米顆粒與石墨烯材料進行原位復合，用于有機體系鋰空氣電池陰極催化劑，研究結構表明該催化劑與傳統Pt催化劑相比，表現出了較高的放電平臺（3.1 V）與放電容量（1050 mAh g-1）（Chem. Commun., 2011,47, 11291）。

　　除上述非貴金屬催化材料外，該團隊還研究了氧化石墨烯對釩物種VO2+/VO2+和V2+/V3+的催化性。研究結果顯示，氧化石墨烯具有良好的電化學催化氧化還原作用（Carbon, 2011, 49, 693）。

　　將氧化石墨烯與多壁碳納米管復合，發現高導電性一維多壁碳納米管與具有電化學催化活性的二維氧化石墨烯薄片形成了強大的協同傳輸網絡和良好的表面化學性質，電極過程動力學性能大大提高（Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4710），為開發新型高效能釩液流儲能電池材料提供了一種新思路。