北京化工大学|王峰教授&张正平副教授JACS：具有高ORR活性的边缘功能化聚酞菁网络- 大数跨境

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北京化工大学|王峰教授&张正平副教授JACS：具有高ORR活性的边缘功能化聚酞菁网络

科学材料站

2020-09-23

导读：该工作通过球磨具有不同边缘取代基的聚酞菁钴前体，制备了一系列二维(2D)共轭芳香网络。其中使用四苯基邻苯二甲酸酐获得的最佳样品具有均匀的薄层(2.9 nm)结构和相对高的BET表面积，从而暴露出了大量

文章信息

具有高氧还原反应活性的边缘功能化聚酞菁网络

First published: September 18 , 2020

第一作者：杨少轩

通讯作者：王峰*，张正平*

单位：北京化工大学

研究背景

二维(2D)材料在能量转换和存储领域被广泛用作催化剂，因为它们具有高的电化学活性表面积以及快速的传质能力。金属聚酞菁，是具有共轭结构的平面金属大环网络，已经作为电化学催化剂引起了极大的关注。

然而，类似于石墨的π-π层状堆叠结构限制了轴向电子转移和反应物到达活性位点，导致它们作为氧还原反应(ORR)电催化剂的活性相对较差。

目前，已报道的优化策略主要依赖于高温热解或载体负载，从而分散堆叠结构并增强电子传导性。但通过这种方式，会引入高比例的非活性物质和降低M-N4位点密度，从而限制了电催化剂的质量/体积活性，这是实际应用的最重要的指标之一。同时，高温过程中材料结构的复杂变化也难以确保活性位点的可控形成。

鉴于上述挑战，通过无载体和无热解的方式获得结构明确的二维共轭金属聚酞菁用于电催化氧还原是一个有前景的发展方向。

文章简介

近日，北京化工大学王峰教授，张正平副教授在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society (影响因子：14.612) 上发表题为“Edge-Functionalized Polyphthalocyanine Networks with High Oxygen Reduction Reaction Activity”的研究工作。

该工作通过球磨具有不同边缘取代基的聚酞菁钴前体，制备了一系列二维(2D)共轭芳香网络。其中使用四苯基邻苯二甲酸酐获得的最佳样品具有均匀的薄层(2.9 nm)结构和相对高的BET表面积(92 m2·g-1)，从而暴露出了大量的Co-N4活性位点。

因此，这种材料表现出优异的电催化氧还原反应活性(44mA mgcat-1)。与基准Pt/C催化剂相比，就Pt质量和总的Pt/C催化剂而言，该质量活性分别提升了1.2倍和6.0倍。当在锌-空气电池中用作空气电极催化剂时，该材料提供了最大面积功率密度(137mW cm-2)和质量功率密度(0.68W mgcat-1)，该值也明显超过基准Pt/C催化剂的值。

本文要点

要点一：该工作通过改性固相合成法得到了一系列具有不同边缘基团修饰的聚酞菁钴，其边缘层间距的扩展程度随边缘基团的空间位阻大小而变化。球磨后，得到了一系列厚度可控的2D共轭芳香网络CAN-Pc(Co)-x。

要点二：四苯基邻苯二甲酸酐作为边缘取代基，生成的CAN-Pc(Co)-p显示出明确的结构，具有快速的传质和高密度的暴露活性位点。这些属性有助于其在ORR电化学测试和锌空气电池装置中的优异性能。事实上，考虑到质量比活性和电化学稳定性，CAN-Pc(Co)-p的性能明显优于基准的20%铂碳催化剂。

要点三：该工作研究表明，2D共轭材料是有效的电催化剂，也为2D层状材料的可控合成提供了一种可扩展的和低成本的方法，用于其他能量转换和存储等应用。

文章链接

Edge-Functionalized Polyphthalocyanine Networks with High Oxygen Reduction Reaction Activity

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07249

通讯作者介绍

王峰，教授，博士生导师，

现任北京化工大学副校长、材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任。2011年获国家杰出青年科学基金资助，2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。主要研究方向包括多元多尺度非贵金属电催化材料及其在燃料电池、金属-空气电池、废水处理等方面的应用，生物基/纳米炭材料及其在环境、储能领域的应用，以及电化学检测、光电催化等方面的研究。近年来在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Energy等国际知名期刊发表研究SCI论文190余篇。国内授权发明专利45件，国际授权PCT专利2件。研究开发的“氧阴极低槽电压离子膜法电解制烧碱技术”建成了全国首套氧阴极离子膜烧碱工业化示范生产装置，入选国家“十一五”重大科技成果展。

http://school.freekaoyan.com/bj/buct/daoshi/2020/05-11/15891876841164700.shtml

张正平，副教授/硕士生导师。

2017年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业，获工学博士学位，2016-2017年在美国凯斯西储大学进行访问交流。主要从事燃料电池、电解水及工业电催化装置等应用电催化材料结构设计和性能评价，同时，通过密度泛函理论计算电化学反应过程及机理。目前承担装备预研教育部联合基金和国家自然科学基金青年基金等科研项目，在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Energy, Small等学术期刊发表SCI收录论文28篇，申请国家发明专利2项。