分子间电荷传递作用催生高效不含金属氧还原催化剂

据Nanowerk Spotlight报道：催化氧还原反应即打断氧分子键的过程，其效率很大程度上决定了燃料电池的电化学性能。铂和基于铂的聚合物一直以来被认为是最有效的氧还原催化剂。但铂除了成本高，还有活性状态下缺乏稳定性的缺点。

研究人员在对非贵金属氧化还原催化剂的研究中，发现了垂直排列含氮碳纳米管（VA-NCNTs）。在2009的报道中提到过这一研究成果（用于低成本燃料电池的掺氮碳纳米管催化剂系统）。Liming Dai （当时在戴顿大学，现在在凯斯西储大学化学工程系Kent Hale Smith Professor教授下面工作）科研团队早期的研究表明VA-NCNTs 催化四电子氧还原过程与已经面向市场或碱性电解质中类似铂基电极相比，电催化活性更高，对CO中毒抵抗性更强，长期工作稳定性更优。

Dai解释到：“VA-NCNTs的催化活性得到很大的提升是缘于化学键合氮原子得到电子的能力，它能使其周围变位的碳原子产生净的正电荷，加强氧气的吸附能力，吸引来自阳极的电子从而加强氧还原反应。”

Dai指出，在基于碳的不含金属的氧还原催化剂的研究中，在碳结构中植入共价氮原子以产生分子内部的电荷传递是必不可少的。制备包含共价键氮原子碳纳米材料的化工工艺冗长而昂贵，这个可能会影响到其用于商业用途的可能性。

在发表于2011年3月17号美国化学会在线期刊中的一篇通讯中（"Polyelectrolyte Functionalized Carbon Nanotubes as Efficient Metal-free Electrocatalysts for Oxygen Reduction"），Dai团队报道了他们的最新发现，带正电的聚合电解质链对不含氮的碳纳米管（CNTs）的吸附，也能通过分子内部的电荷传递，使碳纳米管平面中的碳原子带净的正电荷。

由于聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）有很强的吸电子的能力，通过分子间电荷传递，它可以使纳米管碳平面上的碳原子带净的正电荷。合成PDDA功能性/吸附 碳纳米管，不管是对齐排列的还是非对齐排列，作为不含金属的氧化还原催化剂，都表现出和铂催化剂相同的性能。

Dai提到，尤其是PDDA对CNTs的吸附，与商用铂/碳电极相比，表现出卓越的氧还原电催化活性，而又有更好的燃料选择性和耐久性。

高效的不含金属的氧化还原电催化剂能够通过诱发分子内部电荷传递而制得，这为制备低成本不含金属氧化还原催化剂，甚至应用在燃料电池之外的新催化材料提供了广阔的空间。

Dai相信他们所研究的这种方法能够作为发展不含金属的催化剂的一种广泛途径。