開發(fā)高效穩(wěn)定低廉的氧化還原催化劑是突破燃料電池工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。近年來，由于金屬有機(jī)骨架（MOF）和共價有機(jī)骨架（COF）中元素的多樣性，可調(diào)控的結(jié)構(gòu)與高的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，它們作為制備燃料電池中的氧還原電催化劑前驅(qū)體受到廣泛關(guān)注，但后續(xù)的高溫碳化過程中，常會引起結(jié)構(gòu)變化甚至破壞，使得原本高度有序可調(diào)的MOF/COF結(jié)構(gòu)失去了自身的優(yōu)勢。
近年來，科研工作者已經(jīng)證明雜原子摻雜可以影響相鄰碳原子的電子結(jié)構(gòu)，并誘導(dǎo)碳原子周圍電荷的不均勻分布，從而增強(qiáng)電化學(xué)性能。共價有機(jī)聚合物（Covalent organic polymers: COPs）因其良好的水熱穩(wěn)定性，且具有和MOF/COF一樣的大比表面積，結(jié)構(gòu)多樣性與可調(diào)節(jié)性，在電催化領(lǐng)域逐漸發(fā)揮著重要作用。但由于COP自身導(dǎo)電性差導(dǎo)致其催化活性較低，需要經(jīng)過高溫碳化來增加其導(dǎo)電性，這同時又會帶來結(jié)構(gòu)破壞等問題，與傳統(tǒng)碳材料一樣，難于認(rèn)清催化活性中心與機(jī)理。
COP/rGO合成示意圖
非貴金屬碳基氧還原催化劑是當(dāng)前熱門的燃料電池催化劑,而傳統(tǒng)制備過程中,需要經(jīng)過高溫(>700°C)碳化過程來提高材料的導(dǎo)電性和催化活性。高溫碳化過程中,材料結(jié)構(gòu)可能發(fā)生不可預(yù)測性的改變甚至重構(gòu)、催化活性位不清晰、難以控制等問題,給催化過程中的反應(yīng)機(jī)制、失活機(jī)理與宏量制備等帶來重大挑戰(zhàn)。
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的發(fā)展仍依賴于貴金屬鉑基催化劑，但鉑價格昂貴且資源稀缺嚴(yán)重制約了PEMFC的推廣應(yīng)用。但研究最熱門的傳統(tǒng)過渡金屬摻雜碳基催化劑（M-N/C）通常經(jīng)高溫碳化制備（>700℃），導(dǎo)致催化劑全貌結(jié)構(gòu)不明確，活性中心認(rèn)識不清楚，難于闡明清晰的構(gòu)效關(guān)系；且高溫碳化制備量當(dāng)前大多處于毫克級，難于規(guī)�；炅恐苽�。
擺脫傳統(tǒng)高溫碳化方法，低溫制備高效清晰分子結(jié)構(gòu)催化劑，是解決瓶頸問題的關(guān)鍵。COP材料是通過共價鍵將有機(jī)構(gòu)筑單元鏈接形成周期性明確結(jié)構(gòu)的框架材料，組成元素豐富，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性靈活，是理想的分子結(jié)構(gòu)定制的材料平臺。向中華課題組從源頭上創(chuàng)新，提出 “非碳化”創(chuàng)制策略，基于導(dǎo)電COP材料，制備結(jié)構(gòu)明確的催化劑，認(rèn)識活性中心，揭示構(gòu)效關(guān)系，為燃料電池關(guān)鍵催化劑材料提供新方案。
12月8日，中國粉體網(wǎng)旗下的粉體公開課平臺將邀請北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院向中華教授向大家就非碳化共價有機(jī)聚合物基能源催化材料與器件做相關(guān)報告。該報告重點(diǎn)介紹非碳化共價有機(jī)聚合物基能源催化材料與器件在燃料電池領(lǐng)域的研究成果：圍繞燃料電池催化應(yīng)用的導(dǎo)電COP材料化工制備，提出催化劑低溫合成方法，結(jié)合過程強(qiáng)化手段，突破傳統(tǒng)高溫法難于可控定制合成的瓶頸，實(shí)現(xiàn)催化劑活性中心可控有序排列及燃料電池器件示范應(yīng)用。
向中華教授簡介
向中華，北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授，博導(dǎo)；國家優(yōu)青，北京市杰青基金獲得者。2007年獲湘潭大學(xué)學(xué)士學(xué)位；2013年獲北京化工大學(xué)博士學(xué)位；2013~2014年在美國凱斯西儲大學(xué)博士后；2014年至今在北京化工大學(xué)工作。主要從事分子能源材料的分子設(shè)計(jì)與工程制備。近年來在、《JACS》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Mater.》、《Science Advances》等SCI期刊發(fā)表論文70余篇。被《Science》等SCI他引4000余次。授權(quán)發(fā)明專利9件。獲中國化工學(xué)會第九屆侯德榜化工科技青年獎；教育部自然科學(xué)一等獎（2/4）；北京市高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員；2017年入選第三屆中國科協(xié)青年人才托舉工程。中國化工學(xué)會國際學(xué)術(shù)交流工作委員會委員；中國可再生能源學(xué)會氫能專業(yè)委員會委員；中國可再生能源學(xué)會青年工作委員會執(zhí)行秘書長等。
參考資料：
郭佳寧等.非碳化共價有機(jī)聚合物材料用于氧還原催化
