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配位诱导电子局域化的酞菁铁促进氧还原反应
First published: 20 August 2020
第一作者：陈克军, 刘康
通讯作者：刘敏
单位：中南大学
研究背景
氧还原反应（ORR）直接决定着燃料电池和金属空气电池的能量效率，因此O2的催化活化来加速ORR的动力学是这些器件的关键。Pt基催化剂在ORR中具有良好的吸附和活化能力，但其价格昂贵、储量低，严重制约了其大规模应用。开发高效的非Pt-ORR催化剂是进一步发展燃料电池和金属空气电池的当务之急。
在已报道的非Pt-ORR催化剂中，酞菁铁（FePc）分子催化剂因其独特的FeN4活性中心和较低的反应能垒而备受关注。然而，具有平面对称FeN4位点的FePc由于其对O2的吸附和活化能力较差，通常表现出较差的ORR活性。因此，打破电子结构的对称性将是提高FePc催化剂对O2的吸附/活化从而大大提高其ORR活性的有效策略。
文章简介
近日，中南大学刘敏课题组在国际顶级期刊Nature Communications (影响因子：12.121) 上发表题为“Iron phthalocyanine with coordination induced electronic localization to boost oxygen reduction reaction”的研究工作。
该工作报道了一种轴向Fe-O配位诱导的电子局域化策略，以改善其O2的吸附、活化，从而改善ORR性能。
该文章共同第一作者为中南大学的陈克军, 刘康
刘敏教授为本文通讯作者
要点解析
图1.
图2.
图3.
图4.
结论
本文通过在O2等离子体处理的乙炔黑（AB-O）基体上，将FePc分子与含氧基团进行配位设计了一种复合催化剂（FeAB-O），实现了对O2的有效吸附和活化。理论计算表明，轴向O配位（O-FeN4）破坏了Fe的电子分布对称性，导致O上的电子局域化，O-FeN4位点上明显的电子局域化有利于O2的轴向吸附和活化。
X射线吸附实验和O2吸附/解吸实验分别证实了FeAB-O催化剂的轴向O配位和优异的O2吸附能力。ORR性能测试表明，优化后的FeAB–O催化剂具有27.5 mV dec−1的超低Tafel斜率和0.90 V的半波电位，比而无轴向O配位的Fe/AB高30mV，比Pt/C高50 mV。
本研究为提高金属酞菁催化剂的ORR性能开辟了一条新的途径，为调节催化剂位点以获得更好的催化性能提供了一种新的策略。
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