近日，天津工业大学环化学院尹振老师和高建老师关于钴基纳米碳电化学催化剂的研究成果以“基于聚离子液体制备具有氧化还原和析氧反应双功能的钴/氮掺杂多孔碳纳米片”为题发表在国际权威催化期刊《化学催化化学》上（ChemCatChem 2017, 9, 1601 – 1609），相关研究成果受到审稿人高度评价，并被选为当期内封面文章，予以重点推介。该成果一经发表就受到国内外高度关注，三大顶尖综述类杂志之一的英国皇家化学会旗下《化学会综述》（中科院JCR分区为一区，影响因子高达34）在最新出版“聚离子液体合成与应用前沿”（Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 1124）的文章中对该成果予以正面引用和评述。
目前，由于人类社会对于能源需求的迅速增加，加速了各国政府和科研工作者对于高效、低成本和环境友好的替代能量转化和储存系统的研发，比如燃料电池和金属-空气电池等新型能源。以锂-空气电池为例，如果利用空气中的氧气连续地反应提供能量，其理论能量密度大约为11140瓦时/千克，远高于目前的锂离子电池和其它的能量贮存器件。
氧化还原反应和析氧反应作为燃料电池、金属-空气电池以及水分解中最重要和最核心的电极反应，由于其反应动力学速率缓慢，即使在贵金属Pt基催化剂作用下电池性能仍然不能完全达到规模化应用的要求，成为新型能源电池性能和规模化应用的主要瓶颈。此外，贵金属Pt全球储量极为有限，因而成本非常昂贵，严重限制这类电池的规模化应用。为了解决这一问题，非贵金属催化剂的开发成为氧化还原反应和析氧反应催化剂研究的挑战性难题。
尹振副教授等人前期首先基于聚离子液体的官能团可调，易聚合且富含氮元素等优势制备了Co-N-C催化剂，该结果于2015年发表在美国化学会旗下化工类权威期刊工业&工程化学研究（Ind. Eng. Chem. Res. 2015, 54, 7984−7989）上。在此基础上，他们又通过引入NO32-对聚离子液体实现功能化设计，通过简单焙烧过程实现掺氮和造孔目的，从而得到类石墨烯结构的二维多孔薄层碳纳米片负载的钴基催化剂。由于其丰富的孔结构、二维结构的优异电子传递性能以及氮掺杂作用，不但显著提高了钴基催化剂的氧化还原反应活性，而且在析氧反应中表现出优异的催化性能。
该方法中采用新型绿色的离子液体-在室温下完全由离子组成的有机液体作为溶剂，其无味、不燃、不易挥发、蒸汽压极低，因此该过程对环境非常友好。更为重要的是，由于焙烧过程中气体的释放和催化剂纳米颗粒的原位生成，从而得到氧化钴纳米颗粒负载的多孔薄层碳纳米片，所以该过程简便高效，其金属氧化物的负载量可达30%以上，成功地解决了非贵金属的负载不均匀、颗粒大小难以控制，高载量时颗粒容易团聚等问题。特别是由于催化剂颗粒在碳表面原位生成，而且部分颗粒镶嵌于薄层碳纳米片内，大大增强了催化剂颗粒与碳载体之间的相互作用力，因此大幅改善催化剂的稳定性，也避免了传统制备方法存在的催化剂流失甚至失活等问题。因此，该结果为钴基催化剂的制备和规模化应用提供了可能性，将大幅降低新能源电池的成本，极大促进新型能源的研发和应用。
该工作为非贵金属催化剂的研发和离子液体的应用提供了新的思路和方法。该项工作由国家自然科学基金（No.21303119,21576211,21504063）、天津市应用基础及前沿研究计划（No.15JCQNJC05300）等资助完成。（审稿：环化学院 许世超 编辑：宣传部 武冰洁）
