将污染转化为动力：新方法将碳纳米颗粒从排放物转化为可再生能源催化剂

我们开发了一种突破性的方法，将汽车排放的碳纳米颗粒（CNP）转化为高性能的电催化剂。这项创新通过将有害颗粒物转化为可再生能源应用的有价值材料，为污染管理和能源生产提供了一种可持续的方法

我们的研究发表在《碳中和》杂志上，既解决了环境挑战，也满足了对高效、经济高效的清洁能源解决方案日益增长的需求

通过用硼、氮、氧和硫掺杂CNPs，我们显著提高了它们的催化性能。这些多杂原子掺杂的纳米粒子在关键的电化学反应中表现出显著的效率。我们的催化剂在氧还原反应（ORR）中表现出很高的活性，这对燃料电池和储能系统至关重要，在析氢反应（HER）中也表现出很强的活性，析氢反应是生产氢燃料的关键过程

此外，它们在析氧反应（OER）中表现出卓越的性能，促进了水分解以产生绿色氢气。通过优化这些材料的成分，我们创造了一种传统贵金属基催化剂的有效替代品，提高了成本效益和可持续性

HER和OER的三电极组件。来源：Manish Chauhan和Yashmeen科学见解和性能指标

通过实验分析和密度泛函理论（DFT）建模的结合，我们对这些掺杂CNP的结构和电子特性有了更深入的了解。我们的掺硼CNP在10mA/cm²下表现出338 mV的过电位，而B-N-S-CNP表现出83.09 mV/dec的塔菲尔斜率，表明反应动力学优越

高分辨率TEM成像揭示了海绵状分形结构，这增强了电荷转移并增加了活性反应位点的数量。拉曼光谱证实，掺杂杂原子的CNP中的无序性增加，产生了额外的能量转换活性位点

此外，对表面化学的修改破坏了电中性，提高了吸附和反应效率，从而形成了更稳健的催化体系。这些材料的进步使我们能够减少对昂贵的铂基催化剂的依赖，使清洁能源技术更可行、更容易获得

工业应用和未来前景

我们的研究对清洁能源和可持续交通行业具有深远的影响。这些催化剂可以集成到燃料电池中，为电动汽车和储能系统提供更高效的发电。它们在氢气生产中也发挥着至关重要的作用，支持向氢基经济的过渡。此外，它们在可再生能源存储系统中的使用增强了风能和太阳能发电的稳定性

虽然我们的研究结果显示了巨大的前景，但还需要进一步的研究来扩大生产规模，优化材料稳定性，并将这些催化剂整合到商业应用中。克服与大规模合成相关的挑战并确保长期耐用性将需要科学家、行业和政策制定者之间的合作

通过改进制造工艺和开发可持续的提取方法，我们可以将污染转化为宝贵的能源，支持向循环经济的过渡。随着技术的不断进步，我们可以将车辆排放的环境负担转化为清洁和可持续能源的解决方案。

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在那里报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Manish Chauhan et al, Trifunctional Nature of Heteroatom (B, N, S, O)‐Doped Waste Diesel Soot: Turning Pollutants Into Potential Energy Catalysts for HER, OER, and ORR, Carbon Neutralization (2025). DOI: 10.1002/cnl2.195

Bio:

Dr. Shiv Singh, Sr. Scientist at CSIR-AMPRI, Bhopal, specializes in carbon-based nanomaterials for energy, electrochemical sensors, CO₂ reduction, and environmental remediation. His work focuses on waste-to-wealth applications, including microbial fuel cells (MFCs), advanced electrodes, and bioelectrochemical systems. With 50 publications (2,600 citations, h-index: 31, i10-index: 48, Avg IF ~8), he has developed cost-effective electrodes from vehicle and candle exhaust-derived carbon nano-onions. His innovations in CO₂ electro-reduction and photocatalysis have led to impactful solutions. He was recognized with the Marie Skłodowska-Curie Seal of Excellence, DST INSPIRE Faculty Award, and listed among Stanford's Top 2% Scientists (2023). He has also been selected to join the RSC Materials Horizons journal's Community Board and serve as a Young Editorial Board member for the Nano-Micro Letters journal published by Springer, Wiley's Energy & Environmental Materials and Scientific Reports.

Journal information: Scientific Reports , Materials Horizons