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)應用的關鍵瓶頸之一。近年來，由于金屬有機骨架（MOF）和共價有機骨架（COF）中元素的多樣性，可調控的結構與高的比表面積等優(yōu)點，它們作為制備燃料電池中的氧還原電催化劑前驅體受到廣泛關注，但后續(xù)的高溫碳化過程中，常會引起結構變化甚至破壞，使得原本高度有序可調的MOF/COF結構失去了自身的優(yōu)勢。
近年來，科研工作者已經證明雜原子摻雜可以影響相鄰碳原子的電子結構，并誘導碳原子周圍電荷的不均勻分布，從而增強電化學性能。共價有機聚合物（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，結構多樣性與可調節(jié)性，在電催化領域逐漸發(fā)揮著重要作用。但由于COP自身導電性差導致其催化活性較低，需要經過高溫碳化來增加其導電性，這同時又會帶來結構破壞等問題，與傳統碳材料一樣，難于認清催化活性中心與機理。
COP/rGO合成示意圖
非貴金屬碳基氧還原催化劑是當前熱門的燃料電池催化劑,而傳統制備過程中,需要經過高溫(>700°C)碳化過程來提高材料的導電性和催化活性。高溫碳化過程中,材料結構可能發(fā)生不可預測性的改變甚至重構、催化活性位不清晰、難以控制等問題,給催化過程中的反應機制、失活機理與宏量制備等帶來重大挑戰(zhàn)。
質子交換膜燃料電池（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重制約了PEMFC的推廣應用。但研究最熱門的傳統過渡金屬摻雜碳基催化劑（M-N/C）通常經高溫碳化制備（>700℃），導致催化劑全貌結構不明確，活性中心認識不清楚，難于闡明清晰的構效關系；且高溫碳化制備量當前大多處于毫克級，難于規(guī)�；炅恐苽�。
擺脫傳統高溫碳化方法，低溫制備高效清晰分子結構催化劑，是解決瓶頸問題的關鍵。COP材料是通過共價鍵將有機構筑單元鏈接形成周期性明確結構的框架材料，組成元素豐富，結構設計性靈活，是理想的分子結構定制的材料平臺。向中華課題組從源頭上創(chuàng)新，提出 “非碳化”創(chuàng)制策略，基于導電COP材料，制備結構明確的催化劑，認識活性中心，揭示構效關系，為燃料電池關鍵催化劑材料提供新方案。
12月8日，中國粉體網旗下的粉體公開課平臺將邀請北京化工大學化學工程學院向中華教授向大家就非碳化共價有機聚合物基能源催化材料與器件做相關報告。該報告重點介紹非碳化共價有機聚合物基能源催化材料與器件在燃料電池領域的研究成果：圍繞燃料電池催化應用的導電COP材料化工制備，提出催化劑低溫合成方法，結合過程強化手段，突破傳統高溫法難于可控定制合成的瓶頸，實現催化劑活性中心可控有序排列及燃料電池器件示范應用。
向中華教授簡介
向中華，北京化工大學化學工程學院教授，博導；國家優(yōu)青，北京市杰青基金獲得者。2007年獲湘潭大學學士學位；2013年獲北京化工大學博士學位；2013~2014年在美國凱斯西儲大學博士后；2014年至今在北京化工大學工作。主要從事分子能源材料的分子設計與工程制備。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。授權發(fā)明專利9件。獲中國化工學會第九屆侯德榜化工科技青年獎；教育部自然科學一等獎（2/4）；北京市高校優(yōu)秀共產黨員；2017年入選第三屆中國科協青年人才托舉工程。中國化工學會國際學術交流工作委員會委員；中國可再生能源學會氫能專業(yè)委員會委員；中國可再生能源學會青年工作委員會執(zhí)行秘書長等。
參考資料：
郭佳寧等.非碳化共價有機聚合物材料用于氧還原催化
