燃料電池低成本催化劑的化學原理分析

質子交換膜（PEM）燃料電池是一種儲能技術，有助於降低碳足跡。燃料電池利用一種被稱為氧還原的化學反應，這種反應需要一種低成本的催化劑來實現更廣泛的商業應用。摻氮碳就是這樣一種催化劑，但關於摻氮工作原理的化學細節頗有爭議。這些知識對於改善PEM燃料電池在未來技術中的功能非常重要。

最近發表在《Angewandte Chemie International Edition》上的一項研究中，來自筑波大學的研究人員提出了在酸性條件下最佳化PEM燃料電池中氧還原反應的化學細節。這種構型有助於碳催化劑吸附氧，使燃料電池發揮作用。

氮氣可以在氮氣摻雜的碳催化劑中採用各種鍵合構型，如吡啶化。多年來，研究人員一直試圖確定哪些鍵合構型是PEM燃料電池中電解活性的來源。除非透過控制催化劑上氮原子的鍵合和結晶取向來明確反應機制，否則可能無法獲得研究結果。

研究人員將7個含氮分子沉積在順晶碳黑催化劑上，製成具有均勻結構的模型催化劑，然後發現，在催化劑的邊緣有兩個吡啶氮原子的1，10-菲羅啉，參照電流密度具有最高的活性。硫酸使催化劑中的氮原子完全酸化。在氧飽和條件下施加適當電壓後，催化劑中的質子化氮原子被還原。這是由於同時吸附了氧氣，因為在氮飽和條件下沒有還原。

密度函數理論計算也表明，氧吸附促進了完全質子化氮原子的還原，因此，氧氣吸收到催化劑上，同時，氮原子被還原，進行額外的催化迴圈。

目前的PEM燃料電池使用的是鉑金催化劑。由於鉑是一種稀有金屬，從長遠來看，它並不是商業應用的現實選擇。因此，鉑金催化劑將無法使PEM燃料電池為低碳經濟做出貢獻。這裡描述的研究結果將幫助研究人員改善PEM燃料電池的碳基催化劑的效能。

論文標題為《Role of Pyridinic Nitrogen in the Mechanism of the Oxygen Reduction Reaction on Carbon Electrocatalysts》。