【研究背景】

电催化氧还原反应（ORR）广泛存在于诸多电化学能量转换和存储设备中，例如燃料电池、金属空气电池。ORR在动力学上缓慢，因此需要大量的铂族金属（platinum-group-metal，PGM)作为催化剂。然而，PGM储量稀少、价格昂贵，不利于上述设备的大规模商业化推广和应用。因此，近年来，非贵金属催化剂得到了大量的研究，其中，碳基材料的ORR催化活性尤为瞩目。生物质材料（biomass materials）大量广泛地存在于日常生活中，来源广泛、价格便宜，一些生物质甚至被认为是没有用的废料；这些生物质通常含有大量碳元素以及诸多杂原子，可以作为非贵金属ORR催化剂的前驱体。

【成果简介】

近日，加拿大国立科学研究院孙书会教授课题组回顾并讨论了近年来生物质材料在非贵金属氧还原电催化剂方面的应用。

文章首先强调了以需求为导向的生物质转化策略。通常生物质材料需要经过多个处理和转化步骤才可以形成有催化活性的催化剂。为了实现一定的功能性，生物质材料的选择、生物质转化步骤的应用均需要以电催化过程中的需求为导向，例如形成活性高的活性位、更多更快的物质传递通道等。其次，文章重点强调了非贵金属ORR催化剂活性中心的理性设计。讨论了如何利用生物质构建两类重要的非贵金属催化剂活性中心，包括metal-free的杂原子掺杂碳（N-C材料为代表）和过渡金属-氮-碳（Fe-N-C材料为代表）。再次，文章讨论了孔结构在非贵金属ORR催化剂理性设计中的重要性，以及如何利用生物质本身的多孔性以及人为造孔的方法实现传质能力的大幅度提升，从而提高非贵金属催化剂的综合催化活性。最后，文章总结了生物质材料在非贵金属ORR催化剂中的应用，展望了未来生物质材料在此方面的研究方向，同时指出生物质材料在多个领域的巨大前景。