筑波大学 碳催化剂中的活性氮原子
学分:筑波大学 质子交换膜燃料电池是一种储能技术，有助于降低运输的环境足迹
这些燃料电池利用被称为氧还原的化学反应
这种反应需要一种低成本的催化剂，以便广泛的商业应用
氮掺杂的碳就是这样一种催化剂，但是氮掺杂的化学细节却颇有争议
这些知识对于在未来技术中改进质子交换膜燃料电池的功能是重要的
在最近发表在Angewandte Chemie国际版上的一项研究中，筑波大学的研究人员报道了在酸性条件下优化质子交换膜燃料电池中氧还原反应的化学细节
这种构造有助于碳催化剂以使燃料电池能够工作的方式吸收氧气
在氮掺杂的碳催化剂中，氮可以采用各种键合构型，例如吡啶基
多年来，研究人员一直试图确定哪些键合结构是质子交换膜燃料电池中电解活性的来源
除非通过控制催化剂上氮原子的成键和结晶取向来阐明反应机理，否则这些研究的结果可能是不清楚的
“我们将7个含氮分子沉积在一种次晶状炭黑催化剂上，制造出具有均相结构的模型催化剂，”主要作者小太郎·竹泰教授说
“我们发现，1，10-菲咯啉，在催化剂的扶手椅型边缘有两个吡啶氮原子，相对于电流密度具有最高的活性
" 硫酸充分酸化了催化剂中的氮原子
在氧饱和条件下施加适当的电压后，催化剂中质子化的氮原子被还原
这归因于同时的氧吸附，因为在氮饱和条件下没有减少
“密度泛函理论计算还表明，氧吸附促进了完全质子化的氮原子的还原，”资深作者季峻·中村教授解释说
因此，氧气被吸收到催化剂上，同时氮原子被还原，用于额外的催化循环
" 目前的质子交换膜燃料电池使用铂催化剂
因为铂是一种稀有金属，从长远来看，它不是商业应用的现实选择
因此，铂催化剂不会使质子交换膜燃料电池有助于低碳经济
这里描述的发现将帮助研究人员改善质子交换膜燃料电池碳基催化剂的性能，并提高运输的可持续性
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