探究燃料电池中不含铂催化剂的奥秘

材料牛注：一个燃料电池领域的长期争议已经被筑波大学应用科学系的研究员们解决。

筑波大学的研究员解决了燃料电池领域氧还原反应中催化剂昂贵的问题，添加氮的碳基催化剂有可能替代昂贵的贵金属催化剂，可能扩大燃料电池技术的应用。该团队构造了四种催化剂结构研究了碳和氮在催化中的作用机理，至今其作用机理仍然是个谜，拖延了有效催化材料的开发，但这些结果表明，催化活性位点与吡啶型氮有关，让催化剂性能的研究更加乐观。

氧还原反应是燃料电池运行中的一个关键步骤，但这依赖于昂贵的贵金属催化剂。添加氮的碳基催化剂最有可能替代贵金属，它可能会扩大燃料电池技术的应用。然而，直到现在，氮和碳在催化中的作用机理仍然是一个谜，这拖延了对更有效催化材料的开发。

在本周发表《科学》的一篇文章中，筑波大学的一组研究人员确定了这一催化结构，并提出了这种反应的机理。通讯作者Nakamura教授说:“我们知道，掺杂氮的碳是一种很好的氧还原催化剂，但没有确定是氮吡啶还是石墨。”

为了解开这个谜，团队制作了四个模型催化剂结构，模拟竞争的潜在结构，并分析了它们的反应性能。吡啶氮或氮原子键合到两个碳原子，主要发生在材料的边缘。通过形成结构改变边界的数量，该团队可以控制存在的吡啶氮，并检测它是如何影响催化性能。这些结果表明，催化活性位点与吡啶型氮有关。

进一步研究，研究人员发现活性位点实际上是碳原子旁边的氮，而不是氮原子本身，随后研究人员提出了反应机制的各个阶段。作为通讯作者Nakamura教授指出：“弄清活性位点和机制是一大进步，将会使控制催化剂性能的研究更加乐观。”

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感谢材料人编辑部刘萍提供素材。