《Science》：解开碳基氧还原催化剂的活性位点之谜

在燃料电池以及其它电化学过程中，氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR）是关键步骤之一，目前主要依赖昂贵的贵金属催化剂（如铂）。随着研究的深入，各种非铂催化剂初露峥嵘，显示了良好的电催化活性，如掺杂氮（N）的碳材料。然而，这类碳基催化剂的工作机理研究甚少，碳原子和氮原子的排列与催化活性之间的关系仍是一个谜，这阻碍了进一步开发更高性能的能代替贵金属的催化剂。

最近，日本筑波大学的研究人员在《Science》刊文，明确了掺氮碳材料的催化结构，并提出了反应的工作机制。（Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction clarified using model catalysts. Science, 2016, 351, 361-365）

图片来源：University of Tsukuba

“我们已经知道掺杂氮的碳是很好的氧还原反应催化剂，但没有人知道氮的形态是吡啶型氮（pyridinic）还是石墨型氮（graphitic），”该文的通讯作者Junji Nakamura教授说。

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为了解开这个谜团，该团队利用具有明确π共轭和可控氮原子掺杂的石墨（高定向热解石墨）模型催化剂，模拟潜在的竞争位点并分析反应过程。其中，吡啶型氮（氮原子连接到两个碳原子上）主要出现在材料的边缘。通过图案化衬底来改变边缘的数目，该团队能够控制吡啶型氮的存在，并测试它如何影响催化性能。结果显示，活性催化位点与吡啶型氮相关。

二氧化碳吸附实验进一步表明，吡啶型氮创建了路易斯碱位点。进一步的分析表明，氮掺杂碳材料的氧还原活性位点实际上是邻近吡啶型氮的那些具有路易斯碱性的碳原子，而不是吡啶型氮原子本身。

Nakamura教授指出，“明确催化剂的活性位点，并了解反应机制使非铂催化剂向前迈了很大一步，也使得优化反应的重点转移到提高催化剂的性能上。”

1. http://science.sciencemag.org/content/351/6271/361

2. http://phys.org/news/2016-01-mystery-non-platinum-catalysts-fuel-cell.html