钴修饰氮掺杂生物炭的预处理作用对氧还原与析氧电催化性能的影响研究

本研究针对燃料电池等电化学能源转换装置对高效双功能ORR/OER催化剂的迫切需求，以废弃虾壳为原料，通过水热碳化/酸洗预处理结合热解法制备了钴修饰氮掺杂生物炭复合材料（Co/N-CC系列）。研究发现采用直接热解生物炭（CC）为载体的Co/N-CC_600在600°C优化温度下表现出卓越的双功能活性：ORR半波电位达0.79 V vs RHE，OER过电位仅0.48 V，性能媲美商业Pt/C和IrO2。该工作为生物质废料高值化利用和绿色能源催化剂开发提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型，开发高效稳定的电化学能源转换技术成为研究热点。其中，氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)作为燃料电池、金属-空气电池等器件的核心反应，其催化效率直接决定设备性能。目前商用催化剂仍依赖贵金属材料（Pt基ORR催化剂和Ir/Ru基OER催化剂），但高昂成本和资源稀缺性严重制约其大规模应用。与此同时，全球每年产生600-800万吨甲壳类废弃物（主要是虾壳），这些富含甲壳素和碳酸钙的生物质通常被填埋处理，既造成环境污染又浪费资源。如何将生物质废弃物转化为高性能电催化剂，成为解决能源与环境双重挑战的关键突破口。

针对这一科学问题，葡萄牙波尔图大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了创新性研究成果。研究人员系统考察了虾壳生物炭不同预处理方式（直接热解CC、水热预处理CCh、酸洗预处理CCw）对钴/氮共修饰复合材料ORR/OER性能的影响，并通过优化热解温度开发出性能媲美贵金属的催化剂。

研究采用湿法浸渍结合热解的技术路线，通过ICP-OES、XPS、Raman等表征手段分析材料组成与结构，采用旋转圆盘电极测试电催化性能。关键创新点在于：比较了三种生物炭制备工艺（常规热解、水热预处理+热解、酸洗预处理+热解）对材料性能的影响；通过调控Co/N共掺杂温度（600°C vs 800°C）优化活性位点分布。

材料表征结果显示：水热预处理的CCh生物炭具有最高比表面积（482 m² g^-1），而酸洗预处理的CCw因提前去除碳酸钙模板导致孔隙坍塌（仅3 m² g^-1）。XPS证实所有复合材料均成功引入N物种（7.24 At%最高值）和Co纳米颗粒（0.90-1.55 At%），其中600°C制备的Co/N-CC_600具有最高的Co-N配位结构（9.79%）和石墨化程度（I_D/I_G=1.13）。

电化学测试表明：CC基材料性能最优，其中Co/N-CC_600的ORR半波电位（0.79 V）与Pt/C相当，电子转移数达3.29接近4e^-路径；OER过电位（0.48 V）低于IrO₂（0.53 V）。性能提升归因于：（1）丰富的吡啶N（2.21%）和石墨N（1.38%）促进O₂吸附；（2）Co-N_x位点加速反应动力学；（3）较高石墨化程度提升导电性。稳定性测试显示ORR反应15小时后电流保持率超90%，显著优于Pt/C（84%）。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了生物炭预处理方式对ORR/OER性能的调控机制，证实直接热解生物炭（CC）是最佳载体；通过低温（600°C）掺杂策略有效增加Co-N_x活性位点，为"废物变宝"提供了范例。所开发的Co/N-CC_600催化剂ΔE=0.93 V的性能指标，使其成为替代贵金属催化剂的理想选择，同时为每年数百万吨虾壳废弃物的高值化利用开辟了新途径。这项工作将生物质转化与电催化两个前沿领域巧妙结合，对推动绿色能源技术发展和循环经济建设具有双重示范价值。