通过工程化先进碳纳米材料迈向高效氧还原纳米电催化剂

燃料电池（例如质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和生物燃料电池）工业化开发中的关键问题之一，在于作为阴极氧还原反应（ORR）首选电催化剂的铂（Pt）存在成本高昂、中间体耐受性差、阳极串扰、动力学迟缓以及稳定性不足等缺陷。开发用于ORR的低成本、高活性且具有实用耐久性的新型非贵金属电催化剂，已被认为是化学和材料科学领域中最活跃且最具竞争力的方向之一。在这篇重要综述中，我们将总结利用不同维度先进碳纳米材料进行工程化改造，以合理设计和合成非贵金属氧还原电催化剂的最新进展，包括杂原子掺杂碳纳米材料、过渡金属基纳米颗粒（NP）-碳纳米材料复合材料，特别是稳定的碳化铁（Fe3C）基NP-碳纳米材料复合材料。将具有高比表面积和稳定结构的先进碳纳米材料引入非贵金属ORR领域，不仅能够最大化用于电子转移的电催化剂表面积，还能显著提高电催化剂在长期运行中的稳定性。因此，基于杂原子、过渡金属基NP以及Fe3C基NP功能化碳纳米材料来合理设计和合成非贵金属电催化剂，对其ORR应用具有特殊的实际意义，代表着一个快速发展的研究分支。本综述中所展示的实例将为设计和优化先进碳纳米材料开辟新方向，从而为燃料电池应用开发出具有极高活性和耐久性的地球富丰量阴极催化剂。