Advanced Materials 封面（四）：以g-C3N4为模板的N-掺杂的多孔碳纳米层，可用作氧还原反应的无金属高效电催化剂
Back cover: Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanosheets Templated from g-C3N4 as Metal-Free Electrocatalysts for Efficient Oxygen Reduction Reaction
Huijun Yu,Lu Shang,Tong Bian,Run Shi,Geoffrey I. N. Waterhouse,Yufei Zhao,Chao Zhou,Li-Zhu Wu,Chen-Ho Tung,Tierui Zhang
背景介绍
电化学氧还原反应（ORR）在许多能量存储和转化器件（包括金属-空气电池和染料电池）中扮演者至关重要的角色。ORR的慢动力学限制了这些器件的效率和性能，上帝关上一扇门，必然打开一扇窗。正是这个限制，激励着科学家开发提高器件性能的催化剂。传统基于铂的电极综合性能最好，然而，高能耗、Pt元素的低自然丰富度使Pt基电催化剂的大规模商业化困难重重。此外，Pt基电催化剂易团聚、易钝化，尤其当存在有CO或甲醇时，这降低了ORR长期使用性能。因此，我们必须找到可与Pt催化活性相比的低能耗电催化剂。
最近这些年，产生了一批碳基材料，来替代Pt和其他稀有金属作为ORR的电催化剂，表现出优异的催化活性和对CO中毒、甲醇交叉效应较好的抵抗性。然而，无金属碳基催化剂的ORR性能在ORR的半波长电位和起始还原电位方面仍劣于Pt/C催化剂。为了克服现在无金属碳基系统（典型的是N掺杂的碳）的性能不足，我们需要解决两个关键因素。1，N掺杂的机理和范围，可大幅度提高碳材料的亲电性，从而产生ORR的活性域。掺N的碳材料容易制得，通过加热富N的化合物或者前驱体，（比如：氨腈、三聚氰胺、尿素、多巴胺、吡咯、苯胺等），在惰性气氛中温度不断升高。在最终碳产物中氮浓度很低，原子百分比3-9%，表明氮在高温下很容易失去。2，影响氮掺杂的碳材料在ORR中的性能的关键因素是其多孔性，多孔性对产率影响很大，并且影响质量和电子传递现象。通常来说，人们渴望得到高微孔/多孔结构，于是人们利用多种模板（冰、二氧化硅、聚苯乙烯和纤维素），以在氮掺杂过程中给予其更多的多孔。这些“失去的蜡状物”模板前驱体有短板，因为他们的反应物通常有毒（比如对SiO2模板来说，需要HF刻蚀），为除去图案需要长时间浸泡在有机溶剂中。对于ORR应用来说，必须找到一种简易合成方法来生产无金属碳材料，该碳材料需同时具有较高水平的氮掺杂量和较丰富的多孔结构。
研究介绍
本文中，作者成功合成了具有微孔、中孔结构的氮掺杂碳纳米层，其比表面积高（1077m2·g-1），氮含量高（原子百分比11.6%），制备过程中的模板和氮源均为。是一种共轭有机半导体，由sp2杂化的N原子和C原子组成，N含量为57.1%（原子百分比），是目前已知的含N量最高的化合物之一。更进一步，具有多种3维孔状结构的g-C3N4可通过控制反应条件制得。很重要的一点是，它在温度高于710℃时完全分解，N-掺杂的碳材料通常在900℃合成，而此时g-C3N4完全分解，所以省去了消除模板的后合成过程。之前已经有人利用g-C3N4作为氮源制备金属氮化物和氮掺杂石墨烯。据作者所知，还没有人利用g-C3N4同时作为模板和氮源来制备高氮掺杂量的多孔碳材料。作者用自己的实验证实，此路行得通，纳米层的形貌和组成可通过合成参数来加以控制。制备的纳米层与一种商业化的Pt/C标准电催化剂相比，制备的N掺杂纳米层ORR活性与其相当，持久性和耐甲醇性质优于后者。
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