纳米金刚石改性及其在电催化氧还原反应中的应用

韦连金, 齐志杰, 汪信, 朱俊武, 付永胜（南京理工大学软化学与功能材料教育部重点实验室）

摘要: 氧还原反应(Oxygen reduction reaction, ORR)作为燃料电池和金属空气电池等清洁能源装置的关键阴极反应,反应动力学缓慢, 使其实际应用受到了严重制约。虽然铂(Pt)基催化剂具有出色的ORR 活性, 但其价格昂贵、储量稀缺、稳定性和耐受性差, 极大地阻碍了商业化进程。因此, 开发高效、低成本的新型ORR 催化剂成为当前研究的重点。纳米金刚石(Nanodiamond, ND)的成本低、官能团修饰可控、表面能高(>1000 mJ·m–2)且具有独特π 和σ电子结构, 作为新兴碳基材料在ORR 催化中极具潜力。本文综述了ND 催化剂的最新研究进展, 首先介绍了爆轰法、化学气相沉积法、脉冲激光烧蚀法、高温高压法等制备方法, 随后总结了杂原子掺杂、表面功能化、材料复合及形貌调控等改性策略, 并分析了活性中心形成机制与反应路径调控规律, 涵盖不同改性策略对催化性能的影响及相关性能数据对比。最后探讨了当前ND 催化剂在催化机理、合成工艺、表征技术及设计方法等方面面临的挑战, 并展望了未来发展方向, 为研发新型碳基ORR 催化剂提供了参考。

关键词: 纳米金刚石; 化学改性; 电催化; 氧还原反应; 综述