北航制备出低成本、够高效的新型ORR催化剂

摘要：科学家们制备出了一种新型的VNQD-NG非贵金属型降氧电催化剂（ORR）。这具有重要的实际和商业应用。

均匀固定在氮掺杂石墨烯（VNQD-NG）上的氮化钒量子点。VNQD-NG独特的结构特征包括丰富的VN量子点、高表面积和多层孔隙，有利于ORR。VNQD-NG具有高电催化活性、长久耐久性和对ORR的高选择性，优于市售的Pt-C。图片来源：Jing Wang

最近，北京航空航天大学的研究人员在《NANO》上发表了一篇论文中，文中谈到他们制备出一种新的VNQD-NG型非贵金属型降氧电催化剂(ORR)。仅有3-6nm尺寸、高表面积和多级孔这种独特结构的丰富VN量子点，为ORR提供了相当大的结构边缘和缺陷作为活性位点，使暴露的活性位点最大化，并为ORR提供足够的电子传输途径。这具有重要的实际和商业应用。

北京航空航天大学的研究人员展示了一种新型的低成本非贵金属催化剂，它可以替代Pt基氧还原反应催化剂。在他们的工作中，通过简单的水热法和随后的氨退火工艺制备了一种新型氮化钒量子点，将其均匀锚固在氮掺杂的石墨烯（VNQD-NG）上。VNQD-NG具有高电催化活性、长久耐久性和对ORR的高选择性，优于市售的Pt-C。他们的报告发表在即将出版的NANO期刊上。

由于ORR与复杂的四电子转移过程的动力学迟缓，所以为ORR开发合适的电催化剂对于燃料电池和金属空气电池的实际应用具有重要意义。尽管铂（Pt）和Pt基合金用于ORR的效率很高，但它们的高成本和自然界中的稀有储量在很大程度上阻碍了其大规模实际应用。因此，开发低成本的非贵金属基催化剂作为Pt基催化剂的替代品是至关重要的。亚硝酸钒（VN）不仅具有与上述过渡金属氮化物相似的结构和高密度状态，而且具有良好的耐腐蚀性和高导电性，作为ORR的活性电催化剂具有很大的前景。

制备出的VNQD-NG具有许多零维（0D）VN量子点（QD），其尺寸为3~6 nm，均匀地锚定在氮掺杂的石墨烯的表面上，并为ORR提供了相当大的结构边缘和缺陷作为活性位点。此外，VNQD-NG纳米片可以同时构建三维（3D）多孔结构，以最大化暴露的活性位点，并在ORR期间提供足够的电子传输途径。

研究人员在0.1 M KOH水溶液中进行了循环伏安（CV）测量，以研究VNQD-NG样品的ORR特征，反映出VNQD-NG对氧还原的显著电催化活性。计时电流测量表明，当在氧气饱和溶液中注入3M甲醇时，在Pt-C催化剂上会发生强电流响应，但VNQD-NG则保持稳定的电流而没有任何明显的响应。显然，VNQD-NG杂化物在碱性电解质中对甲醇具有高选择性，对燃料分子渗透通过聚合物膜引起的交叉效应具有耐受性。

研究人员还进行了旋转环盘电极（RRDE）测量，以验证VNQD-NG的ORR电化学动力学，显示出与Pt-C催化剂相当的ORR起始电位，以及比商用Pt-C和其他非Pt催化剂更高的电子转移数（n）、动力学限制电流密度（Jk）和电流密度（Jk）。VNQD-NG的电流 - 时间（i-t）计时电流响应显示，在30,000s后衰减非常低，仅为77％，这进一步证明了VNQD-NG的稳定性优于商业Pt-C（60％）。

VNQD-NG对ORR具有高电催化活性、高选择性和长久耐久性，优于市售的Pt-C。这些优点有利于将各种其他3D多孔金属氮化物量子点开发到石墨烯上，以用于传感器、催化和其他电子器件中。

原文来自sciencedaily，原文题目为New electrocatalyst developed for ORR，由材料科技在线团队翻译整理。