質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車的終極發(fā)動(dòng)機(jī)。但燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，目前受制于其碳載鉑催化劑的高成本和短壽命。在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家”973″重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃的支持下，我校化學(xué)化工學(xué)院魏子棟教授研究團(tuán)隊(duì)(丁煒，李莉，陳四國(guó)，齊學(xué)強(qiáng)等)，在宏量制備廉價(jià)、高性能氮參雜石墨烯（NG）燃料電池催化劑方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以全文形式(Article)發(fā)表在近期出版的《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上(Journal of the American Chemical Society, 2015, DOI: 10.1021/jacs. 5b00292)。

2013年，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次通過(guò)”NG分子結(jié)構(gòu)—NG電導(dǎo)率—氧還原(ORR)催化活性”關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)三種氮參雜NG材料中，生長(zhǎng)在邊沿位的吡啶型和吡咯型具有二維平面結(jié)構(gòu)，因保持了石墨烯原有的平面共軛大π鍵結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電性，因而具有優(yōu)異的ORR催化活性。相關(guān)工作發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上(Ding Wei, Wei Zidong,* et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52 (45), 11755-11759）。在此工作的基礎(chǔ)上，他們通過(guò)對(duì)含氮聚合物無(wú)機(jī)鹽水溶液混合物的蒸發(fā)重結(jié)晶，將含氮聚合物固化在無(wú)機(jī)鹽晶體中。利用無(wú)機(jī)鹽結(jié)晶的鹽封效應(yīng)，避免了傳統(tǒng)直接碳化過(guò)程的嚴(yán)重?zé)?wèn)題、高季胺氮參雜問(wèn)題，結(jié)構(gòu)坍塌問(wèn)題；避免了傳統(tǒng)模板法模板去除與納米催化劑分離的困難問(wèn)題；巧妙地將低溫下聚合物的形態(tài)最大限度地保留到高溫碳化后的終極產(chǎn)品。此外，由于鹽封局域空間的限域效應(yīng)，摻氮石墨烯中以具有二維平面結(jié)構(gòu)吡啶型和吡咯型為主，最大限度的抑制了撐開型季胺氮參雜型NG；同時(shí)，由于鹽封效應(yīng)，在碳化過(guò)程中NG內(nèi)部形成大量的氣蝕孔，NG片邊沿和及內(nèi)孔邊沿的大量存在，有利于吡啶型和吡咯型氮參雜NG的形成，使活性中心數(shù)量倍增。以該材料為正極催化劑的質(zhì)子交換膜燃料電池輸出功率達(dá)600mW/cm2，為世界領(lǐng)先水平。加速老化試驗(yàn)顯示該催化劑非常穩(wěn)定。該研究成果意味著，NG催化劑在催化性能上已經(jīng)具備了完全替代碳載鉑催化劑的能力，長(zhǎng)期困擾燃料電池實(shí)用化的催化劑高成本和短壽命問(wèn)題將不再是瓶頸問(wèn)題。

該研究的相關(guān)技術(shù)成果已事先申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利。

Ding, Wei; Li, Li; Xiong, Kun; Wang, Yao; Li, Wei; Nie, Yao; Chen, Siguo; Qi, XueQiang; Wei, Zidong*, Shape Fixing via Salt Recrystallization: A Morphology-Controlled Approach to Convert Nano-structured Polymer to Carbon Nanomaterial as a High Active Catalyst for Oxygen Reduction Reaction, Journal of the American Chemical Society, 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b00292.