氮化钛在燃料电池氧还原反应中的研究进展

摘要

随着世界能源需求总量的持续增长,新型能源的转换利用与存储成为目前科学研究的热点问题。燃料电池作为最具前景的能源转换技术之一,因其能量转化效率高、环境友好、能量密度高、燃料范围广等独特优势受到来自学术界和产业界的广泛关注。氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电极反应,然而其动力学过程缓慢、高度依赖于贵金属铂、长时间运行后催化性能和耐久性急剧退化,现已严重制约燃料电池商业化的大规模推广和应用。因此,研发低成本、高活性和高稳定性的催化剂对推动燃料电池商业化具有重要意义。氮化钛(TiN)材料因具有良好导电性、高熔点、高硬度及耐磨耐酸碱腐蚀等优异特性,在开发高度耐用的催化剂载体领域极具应用前景。具有良好形貌、大比表面积和纳米结构的先进TiN材料作为催化剂载体时,可通过提高贵金属铂利用率、增强金属-载体间相互作用、促进质量/电荷转移以及增强耐腐蚀性,从而实现铂基催化剂电催化活性显著提高。此外,TiN还具有类似贵金属的电子属性,自身对ORR表现出活跃的催化性能和良好的稳定性,在ORR非贵金属催化剂研究中备受青睐。因此,本文综述了具有良好形貌结构特征的TiN材料的制备方法及合成机制,阐述TiN、过渡金属掺杂TiN及其碳基复合材料分别作为催化剂载体或催化剂时在ORR领域的最新研究进展,展望TiN材料在燃料电池阴极中的应用前景,为设计和发展实用型燃料电池阴极催化剂指明方向。