碳基非金属O2电极还原及析出双功能催化剂探索

Electrochemical devices, such as fuel cells and metal-air batteries, are critical for clean energy storage and conversion. Oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) are the rate-determining steps for such devices. Presently, large scale applications of such technologies is hindered by the expensive and scarce noble metal based catalysts used for ORR and OER. Thus, we will investigate the cost-effective, high performance and stable carbon based ORR/OER catalysts to replace the noble metal catalysts for large scale applications. First, we will study the carbon based catalysts by employing first-principles simulations for active sites, mechanisms and kinetics to guide the following experimental synthesis. Second, we will synthesize the desired catalysts as suggested by theoretical simulations by bottom-up strategy, and improve the kinetics and stability of the catalysts. At last, we will try to realize reversible bifunctional ORR/OER catalysts.

燃料电池和金属空气电池等电化学装置是实现清洁能源存储和应用的重要环节。氧气还原反应(ORR)、氧气析出反应（OER）是这些电化学装置电极反应的决速步骤。目前，常用贵金属相关材料作为ORR、OER催化剂，从而限制了其大规模应用。因此，本项目将发展资源丰富的廉价、高效、稳定的非金属碳材料ORR/OER电催化剂以促进这些电化学存储技术大规模应用。首先，从原子尺度利用第一性原理研究碳基非金属ORR/OER催化剂的活性位点、反应机理和动力学过程以指导实验的合成。其次，根据理论指导合成廉价的碳基非金属ORR/OER催化剂，提高其效率和反应动力学过程以及稳定性等，实现可逆ORR和OER双功能催化剂。

廉价碳基材料等非贵金属催化剂有利于实现大规模能量存储或转化。通过各种方式改性的碳基材料催化剂可具有高效的电催化氧气还原和析出性能，是目前一个非常活跃的研究课题。本项目以理论计算和实验相结合制备新型碳基材料相关催化剂并对其机理进行原子层面的解释。研究结果主要包括：（1）理论计算和实验合作开发了N掺杂的石墨烯包覆的β-FeOOH催化剂用于锌空电池，并研究了其电催化氧气还原和析出机理；（2）开发了碳球催化剂用于两电子氧气还原，并发现-COOH和-CO基团和活性位点相关：（3）发现锌-空气电池阴极基底的自活化可作为ORR/OER催化剂并研究了其催化机理，提供了一种极为简单、高效、低成本制备金属-空气电池的阴极电极的新方法。这些研究结果对碳材料催化剂的结构-性能关系的理解有重要的科学意义，同时对探索新型高效的廉价碳材料电催化剂有重要的指导作用。