固载在卟啉基三嗪框架上的单原子Fe催化剂用于酸碱体系高效的氧还原反应

电化学氧还原（ORR）反应在燃料电池、金属-空气电池的阴极起到非常关键的作用。为了替代贵金属Pt催化剂，寻找高活性、高性价比，同时具有长寿命的非贵金属ORR催化剂成为研究的重点。单原子催化剂具有极高的原子利用率、高活性和高选择性，近年来在有机分析催化、光电催化等领域引起了广泛的关注。但是，在合成或催化过程中，单原子催化剂中的金属单原子容易发生聚集，从而失去活性，如何通过简单的制备方法获得稳定分散的单原子催化剂成为急需克服的难题。

近日，中科院福建物质结构研究所的曹荣（点击查看介绍）和黄远标（点击查看介绍）研究团队利用氰基卟啉铁为单体，通过简单的离子热法，一步合成了固载在多孔卟啉基共价三嗪框架材料上的单原子Fe-N₄催化剂（FeSAs/PTF，图1）。该团队发现，金属卟啉中心的吡咯氮能够锚定金属原子，是很好的合成单原子催化剂的前驱体。合成所得到的单原子催化剂具有高比表面积、等级孔结构、优秀的酸碱稳定性和热稳定性，比表面积最高可达1067 cm³/g。他们通过高分辨率的球差电镜以及X射线吸收精细结构分析充分证明了金属Fe在载体上呈现原子级别分散（图2）。作者还将催化剂用于电催化还原氧气，发现其在酸、碱体系下均表现出高效的电催化氧还原活性，同时相比于市售铂碳催化剂（20% Pt/C）具有更高的稳定性和更好的抗甲醇中毒能力（图3）。他们还通过模型拟合探究了合成温度对单原子Fe微观配位环境的影响。

图1. 单原子Fe催化剂（FeSAs/PTF）的合成路线。

图2. （a）单原子Fe催化剂的球差电镜成像；（b）催化剂的X射线吸收近边结构(XANES)谱；（c）催化剂的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱。

图3. （a）催化剂在0.1 M KOH中的LSV曲线；（b）FeSAs/PTF-600在0.1 M KOH中的恒压稳定性测试；（c）催化剂在0.1 M HClO₄中的LSV曲线；（d）FeSAs/PTF-600在0.1 M HClO₄中的恒压稳定性测试。

该研究为设计合成高效的单原子非贵金属催化剂提供了新的思路，为发展新的高效电催化剂提供了重要参考。相关研究结果发表在ACS Energy Letters 上。谨以此文章献给我国著名的结构和无机化学家吴新涛院士，并祝贺吴新涛院士80岁生日。

该论文作者为：Jun-Dong Yi, Rui Xu, Qiao Wu, Teng Zhang, Ke-Tao Zang, Jun Luo, Yu-Lin Liang, Yuan-Biao Huang and Rong Cao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Atomically Dispersed Iron−Nitrogen Active Sites within Porphyrinic Triazine-Based Frameworks for Oxygen Reduction Reaction in Both Alkaline and Acidic Media

ACS Energy Lett., 2018, 3, 883, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00245

导师介绍

曹荣

http://www.x-mol.com/university/faculty/22916

黄远标

http://www.x-mol.com/university/faculty/22999

（本文由伊俊东供稿）