北京航空航天大學(xué)研究小組在NANO的一篇論文中發(fā)表的最新研究結(jié)果表明，新型VNQD-NG是一種用于氧還原反應(yīng)(ORR)的非貴金屬電催化劑。具有3-6nm尺寸，高表面積和多級(jí)孔的豐富VN量子點(diǎn)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征提供了相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)邊緣和缺陷作為活性位點(diǎn)，使暴露的活性位點(diǎn)最大化并為ORR提供足夠的電子傳輸途徑。這具有重要的實(shí)際和商業(yè)應(yīng)用。

來自北京航空航天大學(xué)的一組研究人員展示了一種新型的低成本非貴金屬催化劑，作為氧氣還原反應(yīng)的Pt基催化劑的替代品。在他們的工作中，通過簡(jiǎn)單的水熱法和隨后的氨退火工藝制造了一種均勻錨固在氮摻雜石墨烯(表示為VNQD-NG)上的新型氮化釩量子點(diǎn)。VNQD-NG具有高電催化活性，長久耐久性和對(duì)ORR的高選擇性，優(yōu)于市售的Pt-C。他們的報(bào)告出現(xiàn)在即將發(fā)行的NANO期刊上。

為ORR開發(fā)合適的電催化劑對(duì)于燃料電池和金屬 - 空氣電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，因?yàn)镺RR具有復(fù)雜的四電子轉(zhuǎn)移過程的動(dòng)力學(xué)遲緩。盡管用于ORR的鉑(Pt)和Pt基合金具有高效率，但它們的高成本以及自然界中的稀有儲(chǔ)量在很大程度上阻礙了大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本的非貴金屬基催化劑作為Pt基催化劑的替代品是至關(guān)重要的。亞硝酸釩(VN)不僅具有與上述過渡金屬氮化物相似的結(jié)構(gòu)和高密度狀態(tài)，而且具有良好的耐腐蝕性和高導(dǎo)電性，作為ORR的活性電催化劑具有很大的前景。

所制備的VNQD-NG具有許多零維(0D)VN量子點(diǎn)(QD)，其尺寸為3~6 nm均勻地錨定在氮摻雜石墨烯的表面上，提供了相當(dāng)大的結(jié)構(gòu)邊緣和缺陷作為活性位點(diǎn)。 ORR。此外，VNQD-NG納米片可以同時(shí)構(gòu)建三維(3D)多孔結(jié)構(gòu)，以最大化暴露的活性位點(diǎn)，并在ORR期間提供足夠的電子傳遞途徑。研究人員在0.1 M KOH水溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)測(cè)量，以研究VNQD-NG樣品的ORR特征，反映了VNQD-NG對(duì)氧還原的顯著電催化活性。計(jì)時(shí)電流測(cè)量表明，當(dāng)在氧氣飽和溶液中注入3M甲醇時(shí)，Pt-C催化劑會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電流響應(yīng)，而VNQD-NG保持穩(wěn)定的電流而沒有任何明顯的響應(yīng)。顯然，VNQD-NG雜化物對(duì)堿性電解質(zhì)中的甲醇具有高選擇性，對(duì)燃料分子滲透通過聚合物膜引起的交叉效應(yīng)具有耐受性。研究人員還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測(cè)量，以驗(yàn)證VNQD-NG的ORR電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，顯示出與Pt-C催化劑相當(dāng)?shù)腛RR起始電位，以及更高的電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)和動(dòng)力學(xué)限制電流密度(Jk)比商用Pt-C和其他非Pt催化劑的電流密度(Jk)。當(dāng)前時(shí)間(對(duì)燃料分子滲透通過聚合物膜引起的交叉效應(yīng)的耐受性。研究人員還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測(cè)量，以驗(yàn)證VNQD-NG的ORR電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，顯示出與Pt-C催化劑相當(dāng)?shù)腛RR起始電位，以及更高的電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)和動(dòng)力學(xué)限制電流密度(Jk)比商用Pt-C和其他非Pt催化劑的電流密度(Jk)。當(dāng)前時(shí)間(對(duì)燃料分子滲透通過聚合物膜引起的交叉效應(yīng)的耐受性。研究人員還進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)測(cè)量，以驗(yàn)證VNQD-NG的ORR電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，顯示出與Pt-C催化劑相當(dāng)?shù)腛RR起始電位，以及更高的電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)和動(dòng)力學(xué)限制電流密度(Jk)比商用Pt-C和其他非Pt催化劑的電流密度(Jk)。當(dāng)前時(shí)間(它)VNQD-NG的choronoamperometric響應(yīng)在30,000 s后顯示出相當(dāng)?shù)偷?7%衰減，這進(jìn)一步證明了VNQD-NG的穩(wěn)定性優(yōu)于商業(yè)Pt-C(60%)。

VNQD-NG對(duì)ORR具有高電催化活性，高選擇性和長久耐久性，優(yōu)于市售的Pt-C。這些成就可以提供將各種其他3D多孔金屬氮化物量子點(diǎn)開發(fā)到石墨烯上的擴(kuò)展，以用于傳感器，催化和其他電子器件中的廣泛應(yīng)用。