清华大学：利用三聚氰胺海绵合成新型催化剂用于燃料电池

三聚氰胺-海绵基的非贵重燃料电池电催化剂

（左上）Fe / MS催化剂的SEM图像，具有大量大孔/中孔的3D微纤维网络。 （右上）碳载体上单个Fe原子（用橙色圆圈突出显示）的HAADF-STEM图像。 （左下）电流密度与Fe / MS催化剂和常规Pt / C催化剂的电压。 （右下图）ORR电催化的示意图

生物体反应例如呼吸，能量转换系统例如燃料电池，在它们的中心会发生氧化还原反应（ORR），吸收氧气并产生水或过氧化氢。但该反应需要催化剂，在燃料电池中催化剂通常是昂贵的贵金属铂（Pt）。ORR的替代催化剂可以使燃料电池在经济上更具可行性和持续性。

现在，中国清华大学的研究人员认为，他们已经提出了一种有前途的非贵金属电催化剂，来自于三聚氰胺海绵的形式为掺杂金属-氮的碳催化剂。

Lin Gan 表示开发一种经济的和高活性的用于ORR的金属电 催化剂对于低温燃料电池的至关重要。

新型Fe-N掺杂C催化剂（或Fe-N / C）使用低成本的三聚氰胺海绵，以泡沫状三维大孔结构为起点。 该材料广泛用于绝缘，隔音和作为粗糙的清洁海绵，由于它表面积很大，具有广泛的孔隙网络，使其成为理想的催化剂载体前体材料。 在用Fe盐浸渍海绵之后，将三聚氰胺海绵在氨中退火以产生具有N原子的分级微/大孔/中孔的碳骨架，其产生活性Fe-N4位点以进行催化。 较大的表面积为反应提供了充足的空间，而多孔网络可以方便反应物进入。

Gan说 “通过控制退火时间，可以调节孔隙率和氮的化学状态，优化的三聚氰胺 - 海绵衍生的电催化剂具有高微孔表面积和分级大孔/中孔有利于物质的传输，从而产生出色的ORR活性。”

新催化剂在碱性溶液中具有长期稳定性，在10000次循环中性能损失很小，优于商用Pt / C和大多数非贵金属催化剂。 与其他非贵金属催化剂一样，与商业Pt / C催化剂相比，Fe-N / C也显示出优异的甲醇耐受性。

新催化剂代表了用于ORR的贵金属Pt催化剂的高活性替代品。研究人员认为，他们的新型Fe-N / C电催化剂是迄今为止发展最好的一种，并且由于其低成本和工业规模扩大的潜力，在燃料电池应用方面非常有前途。

Gan说，“由于其低成本和可大量地合成，三聚氰胺海绵衍生的Fe-N / C电催化剂非常适合实际应用，我们现在将催化剂应用于一个真实的质子交换膜燃料电池，该电池具有良好的初始电池性能。但是在实际应用之前，需要进一步提高催化剂产率和避免磷杂质。”