氧還原反應(yīng)作為燃料電池和金屬-空氣電池中的重要反應(yīng)過程，受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的氧還原反應(yīng)催化劑為鉑基催化劑，鉑價格昂貴，其成本超過燃料電池堆總成本的55%。近年來，科研人員制備了一系列的非貴金屬催化劑，替代貴金屬鉑。其中，碳基催化劑因具有低成本、高穩(wěn)定性、儲量豐富，以及較強的抗一氧化碳和甲醇性能，獲得關(guān)注。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所新型能源碳素材料團隊研發(fā)了一種氮摻雜的石墨炔材料，用作氧還原反應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，相關(guān)研究工作發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上。

石墨炔是一種新型碳材料，由炔鍵和苯環(huán)連接而成，具有特殊的sp雜化碳原子，已被報道在光催化、電催化以及生物方面均表現(xiàn)出優(yōu)異特性。新型能源碳素材料團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，不斷深入理解石墨炔材料的電荷結(jié)構(gòu)，利用石墨炔材料獨特的炔鍵引起碳骨架中部分碳原子帶正電的特性，進一步通過氮修飾，將石墨炔材料成功應(yīng)用于氧還原電催化反應(yīng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化性能。石墨炔中碳原子被氮取代后，其電荷結(jié)構(gòu)將被調(diào)控，與氮相鄰的碳原子表現(xiàn)出更強的正電性，可作為氧還原反應(yīng)的活性中心。由于石墨炔材料具有不同于常規(guī)碳材料（石墨烯、碳納米管、石墨、無定形碳等）的特殊sp雜化碳原子，氮原子可以通過取代sp雜化碳，得到新的氮摻雜方式，理論和實驗結(jié)果表明這種新的摻雜方式可以有效提高碳材料的催化性能。所制得的氮取代的石墨炔材料的氧還原催化性能與商業(yè)碳載鉑催化劑相當(dāng)。該工作突破了當(dāng)前研究集中于 sp 和 sp2 雜化的碳材料的限制，顯示石墨炔在電催化材料和燃料電池中的巨大應(yīng)用前景，也為降低氧還原反應(yīng)中鉑等貴金屬催化劑高昂的成本和儲量有限的問題，提供了重要的解決途徑。