探究燃料電池中不含鉑催化劑的奧秘

材料牛注：一個燃料電池領域的長期爭議已經被筑波大學應用科學系的研究員們解決。

筑波大學的研究員解決了燃料電池領域氧還原反應中催化劑昂貴的問題，添加氮的碳基催化劑有可能替代昂貴的貴金屬催化劑，可能擴大燃料電池技術的應用。該團隊構造了四種催化劑結構研究了碳和氮在催化中的作用機理，至今其作用機理仍然是個謎，拖延了有效催化材料的開發，但這些結果表明，催化活性位點與吡啶型氮有關，讓催化劑性能的研究更加樂觀。

氧還原反應是燃料電池運行中的一個關鍵步驟，但這依賴于昂貴的貴金屬催化劑。添加氮的碳基催化劑最有可能替代貴金屬，它可能會擴大燃料電池技術的應用。然而，直到現在，氮和碳在催化中的作用機理仍然是一個謎，這拖延了對更有效催化材料的開發。

在本周發表《科學》的一篇文章中，筑波大學的一組研究人員確定了這一催化結構，并提出了這種反應的機理。通訊作者Nakamura教授說:“我們知道，摻雜氮的碳是一種很好的氧還原催化劑，但沒有確定是氮吡啶還是石墨。”

為了解開這個謎，團隊制作了四個模型催化劑結構，模擬競爭的潛在結構，并分析了它們的反應性能。吡啶氮或氮原子鍵合到兩個碳原子，主要發生在材料的邊緣。通過形成結構改變邊界的數量，該團隊可以控制存在的吡啶氮，并檢測它是如何影響催化性能。這些結果表明，催化活性位點與吡啶型氮有關。

進一步研究，研究人員發現活性位點實際上是碳原子旁邊的氮，而不是氮原子本身，隨后研究人員提出了反應機制的各個階段。作為通訊作者Nakamura教授指出：“弄清活性位點和機制是一大進步，將會使控制催化劑性能的研究更加樂觀。”

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感謝材料人編輯部劉萍提供素材。