山西大学《Angew》：碳纳米管装填多酸团簇用于调控酞菁铁ORR催化性能

通讯作者：朱胜*，王晓*，杨烽*

单位：山西大学，中国科学院深圳先进技术研究院，南方科技大学

酞菁铁（FePc）具有独特的FeN₄活性中心，是一类重要的分子催化剂。通常而言，FePc为平面对称型结构分子，具有较弱的O₂吸附和活化能力，展示出较差的氧还原反应（ORR）催化活性。打破结构对称性被认为是提高FePc基催化剂ORR性能的有效策略。本论文以装填多酸团簇的碳纳米管一维异质结构作为载体，用于负载FePc分子。研究了多酸团簇对FePc结构和ORR催化性能的影响规律，并将所得催化剂用于组装锌空气电池。

近日，来自山西大学的朱胜与中科院深圳先进技术研究院的王晓和南方科技大学的杨烽合作，在Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Biaxially-strained phthalocyanine at polyoxometalate@carbon nanotube heterostructure boosts oxygen reduction catalysis”的研究论文。论文合成了一种具有一维异质结构的FePc基分子催化剂，并研究了催化剂结构和ORR活性之间的构效关系。

将开口的单壁碳纳米管分散在磷钨酸溶液中，电子会从碳纳米管转移至磷钨酸分子，主客体化学作用驱使团簇分子进入碳纳米管空腔中，并形成一维链状结构。一方面，磷钨酸可以调控碳纳米管的局域电荷分布和结构应变；另一方面，碳纳米管的限域效应能够极大地提高内部磷钨酸团簇的稳定性。

所得一维异质结构分子催化剂FePc-{PW12}@NT展示出优异的ORR催化活性。研究发现，磷钨酸可以通过调控碳纳米管的局域电荷分布，增强与酞菁铁分子间的相互作用，进而提高催化剂的结构稳定性；此外，装填磷钨酸碳纳米管的曲率效应诱使酞菁铁分子产生双轴应变，其平面结构对称性被打破，进而表现出增强的氧还原反应性能。

基于FePc-{PW12}@NT催化剂组装锌-空气电池的开路电压为1.39 V，功率密度达到280 mW cm^-2，几乎是Pt/C+IrO₂基电池的两倍。在10 mA cm^-2的电流密度下连续进行充放电测试500次（500 h）以后，FePc-{PW12}@NT基锌-空气电池依旧表现出很好的稳定性。

“Biaxially-Strained Phthalocyanine at Polyoxometalate@Carbon Nanotube Heterostructure Boosts Oxygen Reduction Catalysis”

朱胜 简介：山西大学分子科学研究所硕士生导师。主要从事碳纳米材料的结构可控制备及应用。以第一/通讯作者身份在Natl. Sci. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Cell. Rep. Phy. Sci.，EnergyChem, ACS Mater. Lett.等学术刊物上发表研究论文30余篇。

王晓 简介：中国科学院深圳先进技术研究院副研究员。主要从事低维材料结构设计，性质预测及其调控，生长机制以及其在催化、能源应用中的微观机制研究等。以第一作者/通讯作者身份在 Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Phys. Rev. Lett.，Chem 等期刊发表论文30余篇。

杨烽 简介：南方科技大学化学系副教授/PI。主要从事碳纳米管结构可控催化合成、团簇表/界面与反应动态原位透射电子显微学研究。以第一/通讯作者身份在Nature，Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.， Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文50余篇。

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