姚向东教授JACS：精准可控合成有催化活性中心可用于氧还原的无金属硫噻吩COFs材料

Version of record online：20 April，2020

吉林大学

缺陷调控或者经杂原子掺杂的无金属金属碳材料（MFCMs）在过去的几十年中是最有效的氧还原反应（ORR）催化剂。然而常规合成方法，如高温热解法、或者杂原子掺杂法不能精准可控地制备出具有活性中心可用于ORR反应的MFCMs。作者准确合成了两种MFSTS-COFs材料，验证了材料活性中心的准确结构。与未负载硫噻吩的COF材料相比，MFSTs展现出了优异的ORR反应催化性能。计算结果进一步佐证了实验结果。

1. 研究MFCMs的意义

2. MFCMs的研究现状及存在的问题

3. COFs在新能源领域的应用

有机材料作为理想的电催化剂，因其为多元素化合物和结构的可变性，得到了广泛的关注。其中，COFs有着结构可变性和有序性、具有理想的孔隙率的单元结构，让COFs在光催化、电催化、储能等领域中有着巨大的应用前景。

图1. JUC-527 and JUC-528的合成与结构示意图

Syntheses and structures of JUC-527 and JUC-528.

作者在此次的工作中合成两种MFTS-COFs（JUC-527、JUC-528），两者的在碱性条件中所展现出的电催化催化活性均优于为负载的硫噻吩的COF，准确地测定出了五元硫噻吩环的单体结构是的ORR中的催化活性位点。与JUC-527相比，双硫噻吩结构的JUC-528在ORR中有着更好的催化表现。均一的多孔结构有利于质量运输并能暴露出更多更多的活性位点，从而促进了ORR过程。此工作展示了COF在节能中的应用前景，亦提供了一条精准可调控合成有着催化活性位点的有机无金属ORR催化剂的新思路。

图2. JUC-527、JUC-528的结构表征

(a, b) XRD patterns of JUC-527 and JUC-528

their partial structures viewed normal and parallel to the ab plane (inset: gray, yellow, and red spheres represent C, S, andN atoms, respectively).

图3. JUC-527、JUC-528的形貌表征

(a, b) SEM images of JUC-527 and JUC-528.

(c, d)TEM images and EDS mapping for C, N and S elements of (c) JUC-527 and (d) JUC-528.

图4. JUC-527和 JUC-528的电化学性能测试

(a) LSV (at 1600 rpm) curves of PDA-TAPB-COF,JUC-527, and JUC-528 in O2-saturated 0.1 M KOH electrolyte.

(b, c)Comparison of Tafel plots and Cdl of PDA-TAPB-COF,

JUC-527, and JUC-528.

(d) Comparison of TOF and mass activity of JUC-527 and JUC-528.

(e) Long-term stability test

(f) current-time curve of JUC-528 at 0.7 V (vs RHE).

(g) Galvanostatic discharge curve of JUC-528-based ZAB with6.0 M KOH electrolyte and the photograph of a “COF” LED panel powered by two ZAB in series

图5. 理论计算：DOS和自由能

The optimized structures of (a) PDA-TAPB-COF, (b) JUC-527, and (c) JUC-528.

The yellow, blue, grey and white balls represent S, N, C and H atoms, respectively.

(d, e) Calculated DOS and free energy diagrams (sites-5) for PDATAPB-COF, JUC-527, and JUC-528.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02225

姚向东，教授，博士生导师，吉林大学

1989年获得东北大学材料科学与工程学士学位，1992年获得西北工业大学材料科学与工程硕士学位，2005年获得澳大利亚昆士兰大学材料工程博士学位，在从事纳米轻金属材料在清洁与可持续能源方面作出了重要贡献，在JACS、Nature Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem.等期刊发表论文160余篇。2005年以来，受邀在国际/国内学术会议上做报告50余次，在国际知名的研究机构做40余次报告。目前主要在能源转化催化、生物燃料、能源储存等领域开展研究，从事材料的设计和合成以及能源转化和储存的新技术。

方千荣，教授，博士生导师，吉林大学

2001年，吉林大学化学学院本科毕业。2007年，获吉林大学化学学院无机化学专业博士学位，从2007年到2013，作为博士后研究员先后在美国加州大学洛杉矶分校、美国德州农工大学、美国加州大学河滨分校和美国特拉华大学工作，2014年，成为美国特拉华大学催化科学与技术中心的一名高级研究员。2015年作为中组部青年千人全职回吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室工作。主要从事新型多孔晶体材料的结构设计、定向合成及应用研究。近年来在金属-有机和共价有机多孔晶体材料的设计合成，以及在能源存储，

高效催化和分离等方面的应用取得了系列研究成果。先后在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed. , J. Am. Chem. Soc. 等学术期刊发表SCI收录论文90余篇。

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