面臨環(huán)境和能源方面的種種問題，新能源汽車產(chǎn)業(yè)獲得了蓬勃發(fā)展。電動汽車有別于傳統(tǒng)汽車的重要組件是其電池系統(tǒng)。其中，燃料電池采用氫氣作為原料，產(chǎn)物為水，是一種污染少、能量轉(zhuǎn)化效率高的理想電池系統(tǒng)。然而，面臨大規(guī)模商業(yè)化，燃料電池在成本方面還具有較大的阻力，其主要表現(xiàn)在電池陰極需要大量的貴金屬鉑基催化劑。鉑基材料價格昂貴，儲量有限，大大阻礙了燃料電池的可持續(xù)性、大規(guī)模應(yīng)用。因此，迫切需要制備一種性能優(yōu)異、價格低廉、儲量豐富的新型陰極催化劑以替代鉑基催化劑。

針對以上問題，在中國科學(xué)院院士李玉良的指導(dǎo)下，中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領(lǐng)碳基材料與能源應(yīng)用研究組設(shè)計了一種苯環(huán)中部分碳原子與氫相連的新型石墨炔基碳材料(HsGDY)催化劑。該材料的設(shè)計和實現(xiàn)是在研究組前期成功合成與應(yīng)用大量石墨炔基材料的基礎(chǔ)上完成的。相關(guān)成果已發(fā)表于國際期刊《自然-通訊》(Nature Communications，2018, 9, 3376)，并被選為Highlight工作。

得益于HsGDY的獨特結(jié)構(gòu)，在對其進行后處理過程中，碳基材料與能源應(yīng)用研究組準(zhǔn)確控制了氮的摻入類型，選擇性摻入對燃料電池陰極電催化最有效的吡啶氮原子，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的催化性能。同時，HsGDY具有六邊形的大孔，其分子孔徑達1.63 nm，有利于催化反應(yīng)過程中反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)。通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，吡啶氮摻雜的HsGDY在堿性條件下表現(xiàn)出了優(yōu)于商業(yè)碳載鉑催化劑的超高活性。其在0.85 V電位下的電流密度為商業(yè)碳載鉑催化劑的1.6倍，同時具有比碳載鉑更好的穩(wěn)定性和抗甲醇中毒能力。吡啶氮摻雜的HsGDY作為新型燃料電池陰極催化劑替代傳統(tǒng)鉑基催化劑，展現(xiàn)了巨大的潛力。這種通過碳材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)異原子的準(zhǔn)確摻雜的方法，也為制備其他摻雜型納米材料提供了新的思路。

該研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院前沿重點項目、山東省自然科學(xué)基金的支持。