碳基非贵金属电催化剂研究进展

吴雷¹，彭犇²，周军^3,4，刘长波²，岳昌盛²，田玮²，宋永辉^1,4，姜磊⁵

1. 西安建筑科技大学冶金工程学院2. 钢铁工业环境保护国家重点实验室3. 西安建筑科技大学化学与化工学院4. 陕西省冶金工程技术研究中心5. 陕西省一八五煤田地质有限公司

摘 要：新型电池和电解水技术具有清洁、能量转化效率高等优点,其核心是阳极的析氢反应（HER）或氧还原反应（ORR）和阴极的析氧反应（OER）。然而,在这些反应中,电催化材料的研发是关键。随着新型碳材料的发现以及非贵金属在新能源领域的广泛研究与应用,电催化材料也从最初的贵金属单一材料,发展到转化效率高、抗毒性强、经济性好的碳基复合材料,其性能、结构、成本、制备工艺等各个方面都有了质的飞跃。电催化剂的设计关键在于增加催化剂表面活性位点和自由电子的移动。通过改变材料形状、调整材料粒径和制备复合材料等方法来增大比表面积,从而增加活性位点的数量,也可以将催化剂制成多晶、核壳和合金结构以提高材料表面自由电子的移动。石墨烯、碳纳米管、介孔碳等新型碳纳米材料具有稳定性好、孔隙可调、比表面积高、导电性能优异等优点,是良好的复合基体材料;而非贵金属,尤其是铁、钴、镍、铜、钼,具有电催化活性高、稳定性好、抗毒性强、成本低等优点,可作为催化活性组分。将非贵金属负载到新型碳基体材料上,增加碳纳米材料的电子不对称密度或打破碳表面的电中性,形成更多的吸附活性位点,也更有利于SP2杂化碳表面π电子的自由移动,使得复合材料的电子分布和空间结构得到改变,从而有效地提高复合材料的电催化活性。本文首先归纳了碳基非贵金属电催化剂的国内外研究进展;其次,分别对碳基非贵金属电催化剂的碳基体材料和催化活性组分进行对比分析;最后,总结了碳基非贵金属电催化剂的发展优势和存在的问题,并展望其前景。

关键词：碳基材料;非贵金属;电催化;活性组分;催化性能;