我院胡征教授课题组在燃料电池催化剂研究中取得重要进展，开发出一种新型无金属氧还原电催化剂，提出了探索无金属氧还原电催化剂的新思路，研究论文“Boron-doped carbon nanotubes as metal-free electrocatalysts for the oxygen reduction reaction”近日发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 50(2011)DOI: 10.1002/anie.201101287)。

      燃料电池(Fuel Cells)是将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺循环的限制，以高效和绿色著称，成为世界性的竞争热点之一。尽管优点突出，从使用氢氧燃料电池的阿波罗登月飞船至今也已过去50年了，燃料电池在日常生活中还是难得一见，影响进程的最大障碍是燃料电池中要用到的贵金属催化剂——铂。铂的高催化活性在燃料电池的电极催化反应中起关键作用，特别是缓慢的阴极氧还原过程，更需要大的铂负载量以确保效率。但全球铂资源十分有限且价格极其昂贵，无法支持大规模商业化应用，发展低铂用量、甚至彻底无铂的燃料电池催化剂是人们长期孜孜以求的目标。近年的研究表明，富电子的氮掺杂的碳纳米管在需要电子的氧还原反应中具有优良的电催化活性，碳和氮在自然界取之不尽，该进展引起了学术界和工业界的广泛重视。

      胡征课题组另辟蹊径，设计制备了缺电子的硼掺杂的碳纳米管，并发现其在需要电子的氧还原反应中同样表现出良好的电催化活性。针对这个与直觉相悖的实验现象，他们通过细致的实验表征和理论计算，揭示了将碳纳米管转变为氧还原催化剂的关键：1) 创造表面带正电荷的位点以增强氧分子吸附；2) 活化并有效利用碳共轭体系中丰富的π电子。这两点均可通过对碳材料的适当掺杂得以实现，而不在于掺杂原子本身是富电子或缺电子。这些认识为新型无金属碳基氧还原催化剂的研发提供了新的思路、方法和途径，为通过单元或多元掺杂进一步优化其性能提供了科学依据。该工作得到了Angew. Chem. Int. Ed.审稿人的高度评价，认为这些结果对于认识碳基氧还原催化剂催化作用的本质十分重要，会在这个领域引起广泛的兴趣和思考。

      胡征课题组在碳基体纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究方面有长期的积累。早期根据苯环与碳纳米管管壁结构单元相似及C-C键强于C-H键的特点，通过原位热分析—质谱实验揭示了在适当条件下C-H键选择性解离、以苯环为结构单元直接生长碳纳米管的六元环机理，并运用该机理的基本思想，以吡啶等含氮杂环化合物为原料，设计制备了吡啶氮占优、氮分布均匀的氮掺杂碳纳米管，进而利用表面氮原子的锚定和配位作用方便地构建了优化利用铂资源、具有优良的甲醇氧化及氧还原电催化性能的铂基纳米复合催化剂。有关成果相继发表于J. Am. Chem. Soc. 126(2004)1180、Adv. Mater. 21(2009)4953等学术刊物并被Chemitry World专题评述。本项成果通过理论和实验的密切结合，将研究进一步深化至碳基纳米材料自身电催化性能的开发利用，对于推进碳基纳米管作为新型能源催化材料的基础和应用研究具有重要价值。