翻译：Development of metal-free ORR catalysts based on carbon materials is highly desirable for the development of next-generation low-cost high-performance fuel cells and metal–air batteries In this pro

基于碳材料开发无金属 ORR 催化剂对于开发下一代低成本高性能燃料电池和金属-空气电池非常有必要。在这份进展报告中，我们并没有对各种催化材料进行详细的研究，而是对 ORR 活性和潜在机制的起源、创造高密度活性位点的方法以及催化剂表面润湿性的作用进行了重点检查。均匀的吡啶氮存在和催化剂表面的控制疏水性，对于使用这些材料实现高 ORR 性能至关重要。此外，理论研究和实验结果之间的相关性理解被认为对于进一步指导深入研究具有重要意义。同时，更加集中的研究正在进行中，以改善催化位点密度并将其应用于实际燃料电池系统中。为了开发高性能催化剂，必须通过采用理论和实验研究建立对氮掺杂的结构和电子效应的清晰理解。此外，将氮（主要是吡啶氮）掺杂到石墨烯材料中是一项非常具有挑战性的任务。此外，采用自下而上的合成过程，有很大的潜力实现对吡啶氮的选择性掺杂到石墨碳材料中。此外，为了建立 ORR 活性和潜在机制的起源的清晰理解，还有必要弥合理论建模催化剂的催化活性和其在实际运行条件下的活性之间的巨大差距。除了确定这两项研究之间催化活性差异的原因外，还需要使用操作技术和先进的电子显微镜等强大的表征技术，结合电化学工作站。除了深入了解催化活性位点的电子和结构性质之外，通过创建有利的三相边界来增强输出性能将是最重要的。此外，通过调节表面孔隙度、电极纳米结构等来调节表面疏水性，可以控制三相边界。值得注意的是，理论预测、由吡啶氮和表面疏水性引起的高密度催化位点的组合极有可能实现高性能无金属碳催化剂的设计。在本报告中，我们比较了来自不同研究团队的理论和实验报告，涉及碳材料上 ORR 活性调制，其催化活性的差异非常大。我们认为，首先通过均匀掺杂吡啶氮创造高密度催化活性位点可以实现高催化性能。因此，自下而上的合成方法是强烈推荐的。其次，创建有效的三相边界是必要的。因此，建议开发维持催化剂表面疏水性的标准协议，以实现反应物（O2）的最佳水平和产物（H2O）的易于去除。由于迄今为止进行的研究和持续进行的研究，以开发基于碳的无金属 ORR 催化剂，这些碳催化剂的实时应用无疑具有很大的前景。此外，我们相信，本进展报告将有助于读者了解 ORR 催化剂的演变。它还将扩展碳基纳米材料到各种其他电化学能量存储和发电设备的应用。