青岛能源所在非贵金属电催化剂研究中取得系列进展

贵金属催化剂（如铂，Pt）具有很高的催化活性，是电化学能量转换与储能过程的核心材料，但高昂的成本限制了其在产业化中的广泛应用。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所仿生能源系统团队负责人崔光磊等，对金属氮化物（TiN、MoN等）、氧化石墨烯等非贵金属纳米结构材料进行了系列研究，成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem.、Carbon和Energy Environ. Sci.等期刊。

氮化钛（TiN）具有类似于贵金属的电子结构，具有纳米管或介孔球等特殊形貌的氮化钛对I-/I3-氧化还原电对表现出良好的催化性能，其作为对电极材料的染料敏化太阳能电池表现出良好的光电转换效率。TiN纳米材料与高分子导电聚合物的复合对电极，解决了因纳米颗粒的晶界限制导致电子传输性能差的问题，同时缩短离子传输路径，大大提高了催化性能，其光电转换效率达到7.06%，能与对电极相媲美（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 1087）。

为了进一步提高TiN的催化性能，该团队采用胺氰作为形貌控制剂制备有序的TiN介孔球电极，通过调控其结构增强其光反射性能，提高光利用率。研究表明，TiN介孔球电极其短路电流、开路电压和转换效率都得到了较大提高，其中，粒径较大（~800nm）的TiN介孔球电极的光电转换效率因为光反射的特殊设计比传统Pt对电极提高了30%左右（J. Mater. Chem., 2012, 22, 6067）。

氮化钼（MoN）材料因其能带结构与贵金属类材料类似，有望成为一种理想的非贵金属催化剂。该团队将MoN纳米颗粒与石墨烯材料进行原位复合，用于有机体系锂空气电池阴极催化剂，研究结构表明该催化剂与传统Pt催化剂相比，表现出了较高的放电平台（3.1 V）与放电容量（1050 mAh g-1）（Chem. Commun., 2011,47, 11291）。

除上述非贵金属催化材料外，该团队还研究了氧化石墨烯对钒物种VO2+/VO2+和V2+/V3+的催化性。研究结果显示，氧化石墨烯具有良好的电化学催化氧化还原作用（Carbon, 2011, 49, 693）。

将氧化石墨烯与多壁碳纳米管复合，发现高导电性一维多壁碳纳米管与具有电化学催化活性的二维氧化石墨烯薄片形成了强大的协同传输网络和良好的表面化学性质，电极过程动力学性能大大提高（Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4710），为开发新型高效能钒液流储能电池材料提供了一种新思路。