貴金屬催化劑（如鉑，Pt）具有很高的催化活性，是電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能過程的核心材料，但高昂的成本限制了其在產(chǎn)業(yè)化中的廣泛應(yīng)用。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所仿生能源系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人崔光磊等，對(duì)金屬氮化物（TiN、MoN等）、氧化石墨烯等非貴金屬納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了系列研究，成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem.、Carbon和Energy Environ. Sci.等期刊。

氮化鈦（TiN）具有類似于貴金屬的電子結(jié)構(gòu)，具有納米管或介孔球等特殊形貌的氮化鈦對(duì)I-/I3-氧化還原電對(duì)表現(xiàn)出良好的催化性能，其作為對(duì)電極材料的染料敏化太陽能電池表現(xiàn)出良好的光電轉(zhuǎn)換效率。TiN納米材料與高分子導(dǎo)電聚合物的復(fù)合對(duì)電極，解決了因納米顆粒的晶界限制導(dǎo)致電子傳輸性能差的問題，同時(shí)縮短離子傳輸路徑，大大提高了催化性能，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.06%，能與對(duì)電極相媲美（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 1087）。

為了進(jìn)一步提高TiN的催化性能，該團(tuán)隊(duì)采用胺氰作為形貌控制劑制備有序的TiN介孔球電極，通過調(diào)控其結(jié)構(gòu)增強(qiáng)其光反射性能，提高光利用率。研究表明，TiN介孔球電極其短路電流、開路電壓和轉(zhuǎn)換效率都得到了較大提高，其中，粒徑較大（~800nm）的TiN介孔球電極的光電轉(zhuǎn)換效率因?yàn)楣夥瓷涞奶厥庠O(shè)計(jì)比傳統(tǒng)Pt對(duì)電極提高了30%左右（J. Mater. Chem., 2012, 22, 6067）。

氮化鉬（MoN）材料因其能帶結(jié)構(gòu)與貴金屬類材料類似，有望成為一種理想的非貴金屬催化劑。該團(tuán)隊(duì)將MoN納米顆粒與石墨烯材料進(jìn)行原位復(fù)合，用于有機(jī)體系鋰空氣電池陰極催化劑，研究結(jié)構(gòu)表明該催化劑與傳統(tǒng)Pt催化劑相比，表現(xiàn)出了較高的放電平臺(tái)（3.1 V）與放電容量（1050 mAh g-1）（Chem. Commun., 2011,47, 11291）。

除上述非貴金屬催化材料外，該團(tuán)隊(duì)還研究了氧化石墨烯對(duì)釩物種VO2+/VO2+和V2+/V3+的催化性。研究結(jié)果顯示，氧化石墨烯具有良好的電化學(xué)催化氧化還原作用（Carbon, 2011, 49, 693）。

將氧化石墨烯與多壁碳納米管復(fù)合，發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)電性一維多壁碳納米管與具有電化學(xué)催化活性的二維氧化石墨烯薄片形成了強(qiáng)大的協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)和良好的表面化學(xué)性質(zhì)，電極過程動(dòng)力學(xué)性能大大提高（Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4710），為開發(fā)新型高效能釩液流儲(chǔ)能電池材料提供了一種新思路。