卜显和院士、张冀杰副教授：Advanced Materials平面氯化工程提高传统Fe-N4位点电催化氧还原活性的新策略

第一作者（中文名）：魏盛杰

通讯作者（中文名）：张冀杰*，卜显和*

单位：南开大学

近年来，碳氮材料负载的金属-N₄位点催化剂在电催化氧还原反应（ORR）中表现出优异的催化性能。然而，金属-N₄位点的刚性结构和对称的电荷分布不利于催化中对反应物的吸附与活化。因此，打破传统金属-N₄位点的几何对称性，以提高其电催化氧还原活性具有重要研究意义。最近，报道的金属-N₄位点的轴向氯化工程可以显著提高其电催化活性，但其几何对称性没有完全打破。与之相比，发展金属-N₄位点的平面氯化工程，可以完全打破金属-N₄位点的几何对称性，有望进一步提高活性，但目前未见报道且具有挑战性。

近日，南开大学卜显和院士、张冀杰副教授团队在Advanced Materials (影响因子：29.4)上发表题为“Planar Chlorination Engineering: A Strategy of Completely Breaking the Geometric Symmetry of Fe-N₄Site for Boosting Oxygen Electroreduction”的研究工作。该工作首次发展了Fe-N₄位点的平面氯化工程策略以提高电催化氧还原活性。通过平面氯化工程策略制备的Fe-N₄/CNCl催化剂在电催化氧还原反应中半波电位为0.917 V vs. RHE，比传统的Fe-N₄/CN催化剂和商业20 wt%铂碳催化剂分别提高了49 mV和72 mV。此外，Fe-N₄/CNCl催化剂在循环测试25,000圈中表现出优异的稳定性。在锌-空气电池测试中，Fe-N₄/CNCl催化剂的最大功率密度为228 mW/cm²，在150小时充放电测试中表现出优异的稳定性。密度泛函理论计算揭示了相邻的C-Cl键有效打破了Fe-N₄位点的几何对称性，使Fe的d带中心位置下移，促进了中间体OH*的还原和释放，并显著降低了ORR决速步能垒。这项工作揭示了平面氯化工程策略在彻底打破传统金属-N₄位点的几何对称性以显著提高ORR活性上的巨大潜力。

要点一：利用NaCl和Fe(acac)₃@ZIF-8为前驱体，惰性气氛高温共热解，成功设计了Fe-N₄位点的平面氯化工程：在Fe-N₄位点周围引入相邻的C-Cl键，彻底打破传统Fe-N₄位点的几何对称性。

要点二：XPS、球差校正电镜、同步辐射等测试，证实了Fe-N₄/CNCl催化剂中铁元素的单原子位点分散性，并证实了C-Cl键的成功引入。

要点三：在电催化氧还原和锌-空气电池测试中，Fe-N₄/CNCl催化剂的催化活性显著提高，具有0.917 V vs. RHE的半波电位和228 mW/cm²的最大功率密度。

Planar Chlorination Engineering: A Strategy of Completely Breaking the Geometric Symmetry of Fe-N₄Site for Boosting Oxygen Electroreduction[1]

张冀杰，博士、副教授。2018年博士毕业于天津大学化工学院，师从巩金龙教授；随后加入南开大学材料科学与工程学院卜显和院士课题组从事博士后研究工作。2023年以副教授身份入职南开大学材料科学与工程学院。长期从事功能有机金属框架材料的理性设计与可控合成。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy, Nano Res., Chem. Sci.等学术刊物发表多篇研究论文。

卜显和，教授、博导、中国科学院院士。2002年获国家杰出青年基金、2004年评为教育部“长江学者”特聘教授，2014年评为英国皇家化学会会士，2021年当选中国科学院院士。承担国家自然科学基金创新研究群体、重大、重点项目等。主要从事配位化学研究，已在国内外重要学术刊物上发表论文600余篇，论文被引超过30000余次，个人H-指数101。主编《配位聚合物化学》专著一部（240万字，科学出版社），参编专著与教材6部，获国家发明专利授权30余项。