氮掺杂碳纳米材料在氧还原反应催化剂中的研究进展

杜 淼，马志远，姬长建，王 磊

（1.山东师范大学化学化工与材料科学学院，山东济南250014；2.齐鲁师范学院物理与电子工程学院；3.山东商业职业技术学院）

能源短缺和环境污染成为当今世界日益严重的问题，因此高效利用清洁可再生燃料发电的燃料电池越来越受到人们的关注。燃料电池是一种利用催化剂将化学能转化为电能的电池装置，与一般电池不同，只要有燃料和氧化剂持续供给，它就能连续不断地放电，而不用反复充电［1-6］。燃料电池中的电催化反应包括阴极氧还原反应（Oxygen reduction reaction，ORR）和阳极氢氧化反应（Hydrogen oxidation rection，HOR）。质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是一种应用前景更广阔的新能源发电装置。由于其工作温度低、体积小，适用于电动汽车的动力源，被业内公认为是电动汽车的未来发展方向，已成为世界各国燃料电池研究的热点。长期以来，碳材料负载高分散的铂金属（如Pt/C催化剂）及其合金材料一直是商业化PEMFC中氧还原反应和氢氧化反应十分有效的催化剂。由于氧还原是多电子反应，其反应速率比氢氧化反应慢几个数量级，因此阴极需要比阳极更多的Pt基催化剂用来加速氧的还原［7-8］。ORR动力学较慢引起的阴极性能损失是造成燃料电池性能降低的主要原因。此外，反应过程中生成的中间产物还会使交换膜发生降解，从而影响燃料电池的性能与稳定性［9-14］。由此可见，ORR催化剂是燃料电池的关键材料。

ORR反应中涉及多电子的转移和很多中间含氧产物的生成，其机理非常复杂，主要包括两种反应途径：一种途径是产生水（H2O）的4电子途径，另一种途径是生成H2O2的2电子途径，见表1［15-18］。……