便宜的碳小点有望替代新能源电池里的贵金属

在当今的能源领域，燃料电池和金属空气电池等新型储能与转换设备被寄予厚望。这些设备的核心运作依赖于“氧还原反应（ORR）”的化学过程。长期以来，为了让这个反应顺利且快速地进行，科学家们需要使用铂（Pt）或钯（Pd）等贵金属作为催化剂。但现实问题在于，铂金不仅价格高昂、资源稀缺，而且在长期使用中容易失去活性，成为限制新型电池大规模商业化的一大瓶颈。

为了解决这一问题，寻找成本低廉、性能优异的“无金属催化剂”成为了科学界的研究热点。这篇研究巧妙地利用一种极其微小的碳材料-石墨烯量子点（GQDs），提出了一种客观且极具潜力的替代方案。石墨烯大家可能并不陌生，石墨烯量子点可以理解为石墨烯的“迷你碎片”，尺寸通常在10纳米以下，拥有特殊的边缘效应和优良的化学性质。

单纯的石墨烯碎片在催化能力上还有所欠缺。为了激发它的潜力，研究人员在这些碳小点中加入一些“调料”-氮（N）元素和硫（S）元素。这种将其他元素嵌入碳材料内部的技术在材料学中被称为“掺杂”。该研究成功制备出了“氮、硫共掺杂石墨烯量子点（N,S-GQDs）”。

制备这种新型材料的方法相对简便，并且环境友好。正如论文中的 图1（Fig. 1） 所展示的流程图，研究人员将纳米级的氧化石墨烯（提供碳骨架）与氨水（提供氮元素）以及硫化钠（提供硫元素）混合在一起形成均匀的溶液。随后，他们将这锅“混合汤”放入密封的高压反应釜中，在180摄氏度的温度下持续加热了12个小时。经过冷却和一系列过滤提纯步骤后，氮和硫原子就成功地嵌入到了石墨烯小点的结构之中。

这些合成的量子点究竟长什么样？科学家们使用了高精度的显微镜和光谱仪进行了实验观察。在论文的图2（Fig. 2）中，透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）为我们揭开了它形貌特征，这些量子点非常细小且分布均匀，直径主要集中在3到8纳米之间，平均厚度仅为2.4纳米左右。

为了确认“调料”是否真的加进去了，研究者还使用了X射线光电子能谱（XPS）进行成分检测。图4（Fig. 4） 的测试结果显示，最终生成的量子点中，碳元素占81.86%，氮元素成功掺杂了9.36%，而硫元素掺杂量为0.78%。证实氮和硫已经成为了这些碳小点不可或缺的一部分。

由于单个的量子点导电性较弱，为了更好地测试它们的催化发电能力，研究人员将这些量子点固定在导电性良好的还原氧化石墨烯（rGO）薄片上，组装成了用于电化学测试的电极。

在氧还原反应（ORR）的性能测试中，研究人员用关键指标“电子转移数（n）”来评估催化剂的效率（该数值越接近4，代表反应越高效彻底）。论文中的 图6（Fig. 6） 和 图7（Fig. 7）展示了对比结果：

未经掺杂的普通石墨烯量子点，其电子转移数仅为2.58。仅仅掺杂了氮，或仅仅掺杂了硫的量子点，其电子转移数分别提升到了3.19和3.41。同时掺杂了氮和硫的新型量子点（N,S-GQDs），电子转移数跃升至3.82。这一数据非常接近目前昂贵的商业标准铂碳催化剂（Pt-C，其数值为3.96）。此外，在反应启动电压等其他电化学指标上，这种新型碳材料也展现出了与铂金属高度相近的水平。

研究表明，这种卓越的催化表现主要得益于两点：首先，极小的尺寸让石墨烯量子点拥有了大量不规则的边缘“缺陷”，这些缺陷恰恰是化学反应最喜欢的“着陆点”（活性位点）；其次，硫元素的加入改变了原本氮元素的电子状态，产生了非对称的电荷分布。氮和硫这两种元素在材料内部产生了“协同效应”，极大地疏通了氧还原反应中的电子传输通道。

学者介绍：闵永刚，广东工业大学材料与能源学院教授、博士生导师，广东工业大学特聘教授，俄罗斯工程院外籍院士。主要研究方向包括有机光电功能材料与器件、多维功能化石墨烯复合材料与应用、高性能聚合物材料与加工、半导体用光刻胶及 PCB 先进封装技术，以及绿色催化及其在 CO2 减排和再利用中的应用，聚焦高性能聚合物材料开发及其在电子信息显示和半导体电子封装领域的技术创新、产品开发与产业化等问题。

ORCID：0000-0001-9215-8742

DOI：10.1016/j.jallcom.2019.04.097