化石能源的大量使用帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)。可以預(yù)見，在不久的將來，人類社會(huì)的能源利用方式將從有限的碳基化石能源轉(zhuǎn)換到無盡的可再生能源。燃料電池和金屬空氣電池在這類能源轉(zhuǎn)換中扮演著重要的角色。當(dāng)前，燃料電池中一直使用的是昂貴的Pt催化劑；據(jù)報(bào)道，Pt催化劑占到整個(gè)燃料電池成本的20%左右，這是導(dǎo)致這類高效能源器件尚未得到大規(guī)模使用的重要原因之一。因此，發(fā)展具有高活性和穩(wěn)定性的低成本電催化材料依然具有極大挑戰(zhàn)。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員王家成和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員楊明輝（共同通訊作者）聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)教授J. Paul Attfield（共同通訊作者）和印度理工學(xué)院教授Tiju Thomas發(fā)現(xiàn)鋯基材料表現(xiàn)出可取代貴金屬Pt催化劑的巨大潛力。Pt金屬儲(chǔ)量非常稀少，價(jià)格非常昂貴，高達(dá)約300元每克；相比較，Zr金屬儲(chǔ)量豐富，價(jià)格僅為Pt的1/700。該研究成果近日發(fā)表在國際期刊Nature Materials上，論文題目為“Zirconium Nitride Catalysts SurpassPlatinum for Oxygen Reduction”。王家成作為該論文的共同第一作者，參與了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、機(jī)理挖掘等重要工作。上海硅酸鹽所副研究員馬汝廣參與了該工作。

在該研究中，科研人員采用一種溫和的urea-glass方法，在更低的溫度下制備出了高活性ZrN納米顆粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化劑的活性。此外，ZrN還表現(xiàn)出了比Pt更優(yōu)異的長期使用穩(wěn)定性。在實(shí)際的鋅空氣電池測(cè)試中，商用Pt催化劑使用一段時(shí)間后性能衰減明顯；而ZrN催化劑性能衰減要緩慢很多。未來，該研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步和產(chǎn)業(yè)界合作，努力將該實(shí)驗(yàn)室研究成果轉(zhuǎn)換成實(shí)際的創(chuàng)新產(chǎn)品，這將有助于清潔能源的大規(guī)模使用，并有望為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題作出貢獻(xiàn)。

來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-019-0535-9