铁酞菁催化氧还原反应过程的单分子成像

催化氧还原反应的电催化剂是燃料电池的一个重要组成部分。过渡金属卟啉（MPs）与过渡金属酞菁（MPcs）基分子材料作为一类非贵金属电催化剂，由于其本身低成本、易于制备等特点，吸引了人们的广泛关注。探索这类电催化剂表面发生的催化氧还原反应（oxygen reduction reaction, ORR），深入理解电催化剂的催化活性位点、与氧气结合的具体过程等催化机制，完整地理解催化剂的作用机理，对开发新型高效的电催化剂材料有着非常重要的意义。目前已有一些课题组报道了大气、或者真空环境下MPs/MPcs类化合物发生表面氧化反应的反应中间体与反应产物，但对于这类电催化剂在电化学环境下催化ORR反应过程的原位研究还未有报道。

近日，中国科学院化学研究所万立骏（点击查看介绍）、王栋（点击查看介绍）研究组首次报道了过渡金属酞菁类分子材料催化ORR反应过程的单分子变化。他们采用了铁酞菁（iron(II) phthalocyanine, FePc）作为电催化剂，以Au(111)单晶表面作为基底，在固液界面下通过电化学扫描隧道显微镜（electrochemical scanning tunneling microscope, ECSTM）对FePc分子催化ORR反应的过程进行原位观测。研究发现，在催化ORR反应发生的起始阶段，FePc分子会与O₂分子结合，形成高对比度的FePc-O₂复合物。这种高对比度的FePc-O₂复合物的数量会随着溶液相中氧气含量的增加而增加。通过电位开启ORR反应后，高对比度的FePc-O₂复合物会立刻转变为低对比度的FePc分子。理论模拟结果证实了这一过程中对比度的转变的发生。

这一研究结果也为MPs/MPcs类分子材料催化ORR过程催化反应机理以及催化活性位点的研究提供了原位的实验结果，这对新型高效的分子催化剂材料的开发提供了基础。

该研究工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院战略先导研究项目的大力支持。

该论文作者为：Jing-Ying Gu, Zhen-Feng Cai, Dong Wang*, Li-Jun Wan*

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04281

Single-Molecule Imaging of Iron-Phthalocyanine-Catalyzed Oxygen Reduction Reaction by in Situ Scanning Tunneling Microscopy

ACS Nano, 2016, 10, 8746-875, DOI: 10.1021/acsnano.6b04281

导师介绍

万立骏研究员：http://www.x-mol.com/university/faculty/15504

王栋研究员：http://www.x-mol.com/university/faculty/15506