胡劲松/万立骏团队综述：过渡金属氮碳基燃料电池氧还原电催化剂

燃料电池是一种将燃料（例如氢气，甲醇等）的化学能转化为电能的清洁能源转换系统。其理论能量转换效率不受卡诺循环的限制，接近100%。然而，阴极氧气还原反应（ORR）缓慢的动力学过程和高的过电位导致其实际转化效率仅为45%-55%左右。目前高性能催化剂仍局限于铂基贵金属，其高昂的价格与资源有限性不利于燃料电池的规模化商用。因此，探索价格低廉且高效耐用的ORR催化剂对燃料电池的商业化至关重要。在过去的几十年里，过渡金属氮碳基材料(M/N/C)由于其ORR活性可与商业Pt/C催化剂相媲美而被广泛关注并尝试应用于燃料电池器件中，但其性能离燃料电池实际应用的需求还有较大差距。理解这类催化剂目前的研究现状与面临的挑战有助于进一步开发高性能非贵金属燃料电池氧还原催化剂。近日，中国科学院化学研究所胡劲松研究员和万立骏院士等在SCIENCE CHINA Chemistry杂志上发表了题为“Advanced Transition Metal/Nitrogen/Carbon-based Electrocatalysts for Fuel Cell Applications”的综述文章，系统总结了近年来M/N/C结构电催化剂在燃料电池领域应用的研究进展和目前仍面临的挑战（见下图）。在文章中，作者首先综述了M/N/C催化剂的类型及常见合成方法。根据活性位点的结构，热处理获得的M/N/C催化剂可分为三种类型。第一种是单原子催化剂，其结构为原子分散的金属-氮-碳(M-N-C)，其中M-N_x通常被认为是ORR活性位点；第二种是包裹在N掺杂碳壳中的碳负载金属纳米颗粒(M@NC)，其中金属和氮共同活化的碳位点通常被认为是活性中心。第三种是包含上述两种结构的催化剂。文章随后介绍了对M-N-C和M@NC结构中活性位点的研究和催化剂活性来源的认识。这些理解对于合成高ORR活性的M/N/C结构有着重要的指导作用。在此基础上，文章分别总结了近年来在M-N-C和M@NC结构中提升本征活性和增加活性位点密度的代表性策略，并讨论了M-N-C和M@NC两种位点之间的协同作用以进一步提升ORR性能。此外，燃料电池的性能不仅取决于本征活性和活性位点密度，还受到催化剂结构的影响。为了将催化剂的理论性能转化为高性能和耐用的器件，文章还介绍了催化剂的结构调控以提高器件性能和耐久性研究方面的最新进展。针对实际应用所关注的催化剂低成本和宏量制备，介绍了M/N/C催化剂的廉价宏量制备策略。最后，展望了M/N/C催化剂未来发展中的挑战和机遇。 详见：Tang Tang, Liang Ding, Zhe Jiang, Jin-Song Hu & Li-Jun Wan. Advanced Transition Metal/Nitrogen/Carbon-based Electrocatalysts for Fuel Cell Applications. Sci. China Chem. 2020，doi:10.1007/s11426-020-9835-8。

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