燃料電池是一種重要的新能源裝置，其中最新發展的金屬-空氣電池更是被寄予厚望。然而，金屬-空氣電池中陰極氧還原和正極氧析出反應動力學過程緩慢，需要大量的貴金屬催化劑，大大增加了電池的成本，阻礙了金屬-空氣電池的大規模商業化進程。

中國科學院青島生物能源與過程研究所碳基材料與能源應用研究組，在制備高效低成本的金屬-空氣電池陰極催化劑方面開展了大量工作。在前期的研究中，該研究組已經先后研究了氮摻雜的類型對基于碳材料的電催化劑性能的影響（ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 29744）；制備了吡啶氮選擇性摻雜的碳基催化劑（Nat. Commun.2018, 9, 3376.）；以及過渡金屬-氮共摻雜的催化劑（ChemSusChem2019, 12, 173；Carbon2019, 147, 9）。證明了吡啶氮對提高碳基電催化劑性能的重要作用，并制備了一系列低成本、高性能的電催化劑材料。

近期，該研究組成員基于前期工作，利用新型碳材料石墨炔特殊的化學制備方法，無需后摻雜，直接制備了只含有吡啶氮的吡啶石墨炔材料。X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收光譜（XAS）表明，所得催化劑中只含有吡啶氮。在電化學測試中，吡啶石墨炔表現出優于商業碳載鉑催化劑的氧還原電催化性能。利用其作為鋅-空電池陰極，其最大功率密度高于鉑基鋅-空氣電池的最大功率密度，并具有比鉑基電池更加優異的充放電穩定性，具有巨大的應用潛力。密度泛函理論計算表明，與吡啶氮距離最近的sp雜化碳原子為最佳的氧還原反應位點。此工作將為設計合成具有特定反應位點的新型非金屬催化劑材料提供新的思路。相關工作發表在Applied Catalysis B: Environmental期刊上（Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234）。

以上工作得到國家自然科學基金、中科院前沿項目和研究所內重點部署項目等資助。

相關發表文章：Lv, Q.; Wang, N.; Si, W.; Hou, Z.; Li, X.; Wang, X.; Zhao, F.; Yang, Z.; Zhang, Y.; Huang, C.,Pyridinic nitrogen exclusively doped carbon materials as efficient oxygen reduction electrocatalysts for Zn-air batteries. Appl. Catal. B: Environ.2020, 261, 118234.

圖：吡啶石墨炔的合成方法、X射線光電子能譜、X射線吸收光譜以及電催化性能和鋅-空電池性能表征。