纵观古今，能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。从衣食住行到文化娱乐，人类社会的一切活动都离不开能源，其在国民经济中具有特别重要的战略地位。现代化程度越高的城市对能源的依赖愈发强烈，维系着城市照明、交通、餐饮、供暖/降温等重要功能。质子交换膜燃料电池被公认为电动车的终极电源，作为燃料电池的一个重要反应，氧还原反应由于其缓慢的动力学过程，目前车用燃料电池中常用的商用催化剂是贵金属Pt/C催化剂。而大规模推广燃料电池车的使用主要受限于Pt基催化剂在资源与成本、稳定性、抗CO中毒性等三个方面的限制。针对这些问题，研究和发展低成本的新型高稳定、高活性的非贵金属催化剂及简便易行的制备技术，是推动燃料电池技术应用的关键环节和有效途径。
世间万物皆有其存在的意义，而其结构因各种元素的奇妙组合变得丰富多彩。伴随着先进表征技术的快速进步，新材料在一代代研究者中不断被推陈出新。二维材料由于优越的物理/化学/电学特性一直受到科学家的广泛关注。2004年石墨烯发现以来，让碳材料在其中也扮演了极其重要的角色。因此，在环境污染和能源短缺的情况下，寻找一种环境友好，性能出众的碳基电催化材料迫在眉睫。生物质碳材料因成本低廉、比表面积巨大、结构独特及组成元素丰富等优势，有望成为解决问题的关键因素之一。
上海大学环境与化学工程学院吴明红教授、王亮副研究员以资源丰富和绿色无污染的生物质——胖大海为碳基前驱体，设计并合成了类石墨烯二维氮掺杂超薄纳米片。通过冷冻干燥过程使其表面具有大量的给电子基团、大比表面积及较高的石墨化程度，从而获得了高效氧还原催化性能。合成的催化剂在碱性条件下显示氧还原起始电位为0.91 V，半波电位为0.79 V，极限扩散电流密度为3.6 mA/cm2，与商业的Pt/C相当。旋转环盘电极测试揭示了明显的四电子氧还原途径，从而抑制了过氧化氢的产生。最令人兴奋的是，其在计时电流响应和抗甲醇稳定性测试中均保持比Pt/C更高的稳定性。值得说明的是，该催化剂作为阴极催化剂的可充电Li-O2电池也具有高能量密度、低充电/放电电压间隙、超强的可逆性和长时间循环稳性。量子理论计算揭示了丰富的给电子基团使与其相邻的碳原子充当氧还原的最活跃位点，这对催化剂获得优异的氧还原活性起到了至关重要作用。
研究者相信，此项研究将会为基于生物质废弃物制备的超薄二维碳材料的合成策略与电化学性能研究提供一个新的思路，既解决了环境污染问题，又具有较好的经济效益和环境保护意义。这些驭电而来的材料，将为会纷繁妙曼的电与材料之间碰撞出美妙的篇章。
相关论文在线发表在Carbon (DOI: 10.1016/j.carbon.2021.09.042) 上。