氧配位诱导铁酞菁分子电荷局域化促进氧还原反应

在燃料电池、金属-空气电池等能源转化器件中，其阴极氧气还原反应 (ORR) 缓慢，常需要使用高活性的电催化剂来提高器件的能量转化效率。众所周知，铂 (Pt) 基催化剂具有良好的O₂吸附和活化能力，表现出优异的ORR催化活性，但其高昂的价格和低储量严重制约了其大规模应用。在已报道的非贵金属的ORR催化剂中，铁酞菁 (FePc) 分子催化剂因其特殊的FeN₄活性位点和ORR过程中较低的反应能垒而备受关注。然而，FePc具有典型的二维平面对称结构，其对称的电子分布结构仍不利于O₂的吸附和活化。因此，调控活性中心的电子结构以提高反应活性对于储能体系具有重要意义。

图1. 理论计算：(a)FeAB-O和FePc/AB的分子结构模型；(b)电荷局域化函数；(c)Bader电荷转移和O₂吸附能；(d)ORR自由能图。图片来源：Nat. Commun.

鉴于此，中南大学刘敏教授课题组提出了一种新型的轴向Fe-O配位诱导电荷局域化，以提高对O₂的吸附、活化效果，进而提高ORR活性。首先，作者通过理论计算，发现了Fe-O配位可引起O-FeN₄位点轴向的电荷局域化，从而增强对O₂的吸附和活化作用。为验证这一推测，通过在DMF溶液中将FePc与氧化的碳进行配位，获得了一种复合催化剂 (FeAB-O)，并通过XAS和Mössbauer谱验证了FePc和碳之间的Fe-O配位。所获得的最优催化剂，显示出极其优异的氧还原性能，半波电位为0.90 V，超低的塔菲儿斜率为27.5 mV dec^-1。这个工作为构建高效的催化剂打开了新思路。

图1. 电化学性能。图片来源：Nat. Commun.

这一研究成果以发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中南大学博士生陈克军和刘康，刘敏教授为通讯作者。

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Iron phthalocyanine with coordination induced electronic localization to boost oxygen reduction reaction

Kejun Chen, Kang Liu, Pengda An, Huangjingwei Li, Yiyang Lin, Junhua Hu, Chuankun Jia, Junwei Fu, Hongmei Li, Hui Liu, Zhang Lin, Wenzhang Li, Jiahang Li, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Ning Zhang, Min Liu

Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-18062-y

通讯作者介绍

刘敏 中南大学 特聘教授，博士生导师，入选国家引进海外杰出人才，国家重点研发计划国际合作项目首席科学家，湖南省杰出青年，湖南省“青年百人计划”，湖南省科技创新平台与人才计划，长沙市国家级领军人才，粉末冶金国家重点实验室、超微结构与超快过程湖南省重点实验室、化学电源湖南省重点实验室成员。湖南师范大学理学学士、硕士，中科院电工所工学博士。2010-2013年日本东京大学Kazuhito Hashimoto（桥本和仁，现NIMS理事长）研究室特聘研究员、2013-2015，东京大学Kazunari Domen（堂免一成）研究室主任研究员，2015-2017年加拿大多伦多大学Ted Sargent组博士后，之后加入中南大学。

近年来在能源转化、催化材料及器件领域取得了多项创新成果，在Nature, Science, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances, Joule 等国际权威学术期刊上发表论文110余篇，论文他引>7000次，H-因子为38, 相关研究成果多次被 Science Daily, Science News, Phys.org, 福布斯等新闻媒体报道。担任20余个国际主要学术期刊审稿人。申请中国、加拿大日本发明专利20余项，其中13项已经授权。博士毕业论文被评为2011年中科院优秀博士论文。