近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所液相激光加工與制備實(shí)驗(yàn)室在液相激光輻照制備硫、氮共摻碳納米管負(fù)載氧化鎳電催化劑（NiO/S,N-CNTs）研究方面取得進(jìn)展，并對(duì)其甲醇氧化電催化性能進(jìn)行了探究。相關(guān)結(jié)果以全文的形式發(fā)表在Carbon 雜志上。
　　甲醇是一種重要的能量載體，常溫常壓條件下為液態(tài)，具有運(yùn)輸和存儲(chǔ)方便、燃燒效率高、潔凈環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展以甲醇水溶液或蒸汽甲醇為燃料的直接甲醇燃料電池(PEMFC)，是繼水力、火力、原子能發(fā)電方式之后的“第四種發(fā)電方式”，也是解決環(huán)境與能源危機(jī)的有效途徑之一。當(dāng)前，電化學(xué)催化甲醇氧化主要采用鉑基貴金屬納米材料作為催化劑，催化劑的制備成本高昂。因此開(kāi)發(fā)廉價(jià)的非貴金屬基甲醇氧化催化劑，解決其催化活性低和穩(wěn)定性差的普遍性難題，對(duì)推動(dòng)PEMFC研究的發(fā)展具有重要的研究?jī)r(jià)值和科學(xué)意義。近年來(lái)，研究人員在基于納米材料結(jié)構(gòu)與缺陷工程來(lái)提高PEMFC催化活性方面開(kāi)展了大量富有成效的研究工作，如：調(diào)控催化劑尺寸、構(gòu)筑二維大比表面積層片狀納米結(jié)構(gòu)、缺陷調(diào)控和異質(zhì)原子摻雜等，均極大地提高了非貴金屬基催化劑的甲醇氧化催化活性。然而，在甲醇氧化反應(yīng)中，面對(duì)苛刻的電解液環(huán)境，高活性納米催化劑材料很容易因?yàn)榘l(fā)生表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)、聚集生長(zhǎng)或者中間態(tài)物種吸附而導(dǎo)致失活。因此，兼顧甲醇氧化催化劑的催化活性和穩(wěn)定性是十分必要的。
　　基于此，合肥研究院固體所液相激光加工與制備實(shí)驗(yàn)室從催化劑載體設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，提出以S、N元素?fù)诫s碳納米管為支撐載體，錨定小尺寸NiO納米顆粒，以提升其甲醇氧化催化活性和穩(wěn)定性。具體為：通過(guò)液相環(huán)境下脈沖激光輻照的方法制備高濃度S、N元素?fù)诫s的NiO納米顆粒原位負(fù)載碳納米管（NiO/S,N-CNTs）。在激光輻照過(guò)程中，S、N元素的摻雜能夠?yàn)镹iO的成核生長(zhǎng)提供更多的附著位點(diǎn)，加速了激光誘導(dǎo)碳納米管表面局域高溫區(qū)域Ni2+離子反應(yīng)前驅(qū)體的消耗速度，降低了負(fù)載NiO納米顆粒的尺寸；此外，由于S、N元素的摻雜，碳納米管對(duì)NiO納米顆粒的錨定作用得到顯著增強(qiáng)，使得兩者間的接觸電阻減小，促進(jìn)了界面電子傳輸，對(duì)其電化學(xué)活性有提升作用。堿性條件下的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，NiO/S,N-CNTs具有良好的甲醇氧化催化性能，其初始甲醇氧化質(zhì)量比活性為2200mA/mg。連續(xù)測(cè)試40000秒后，其質(zhì)量比活性保持率為65.8%，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，甲醇飽和濃度可提升至13M。該研究工作為基于液相激光制備與加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳納米管摻雜，開(kāi)發(fā)低成本、高效的非貴金屬基甲醇氧化催化劑提供了新的思路。
　　該項(xiàng)研究工作得到中科院裝備研制項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后基金資助。
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圖1. 液相激光輻照合成NiO/S,N-CNTs的示意圖。
 
圖2. NiO/S,N-CNTs的電化學(xué)催化甲醇氧化性能。