山西大学朱胜Angew：碳纳米管限域多酸团簇用于酞菁铁ORR催化性能调控

高性能氧还原反应（ORR）催化剂的研制是推进可充电锌-空气电池应用的关键。酞菁铁（FePc）具有独特的FeN₄活性中心，是一类重要的分子催化剂。通常而言，FePc为平面对称型结构分子，具有较弱的O₂吸附和活化能力，展示出较差的氧还原反应（ORR）催化活性。打破结构对称性被认为是提高FePc基催化剂ORR性能的有效策略。

近日，山西大学朱胜与合作者报道了一种具有一维异质结构的FePc基分子催化剂的合成。研究中通过主客体化学作用合成碳纳米管限域多酸团簇一维异质结构，并将其作为载体用于负载FePc分子，得到FePc-{PW₁₂}@NT催化剂。研究了载体对FePc结构的影响规律以及结构和ORR活性之间的构效关系。

图1. 多酸团簇/碳纳米管一维异质结负载酞菁铁催化剂的合成示意图及电镜表征

所得一维异质结构分子催化剂FePc-{PW₁₂}@NT展示出优异的ORR催化活性，其半波电位为0.9 V，高于Pt/C的0.85 V。研究发现，磷钨酸可以通过调控碳纳米管的局域电荷分布，增强与酞菁铁分子间的相互作用，进而提高催化剂的结构稳定性；此外，装填磷钨酸碳纳米管的曲率效应诱使酞菁铁分子产生双轴应变，其平面结构对称性被打破，进而表现出增强的氧还原反应性能。

图2. FePc-{PW₁₂}@NT催化剂ORR性能

基于FePc-{PW₁₂}@NT催化剂组装锌-空气电池的开路电压为1.39 V，功率密度达到280 mW cm^-2，几乎是Pt/C+IrO₂基电池的两倍。在10 mA cm^-2的电流密度下连续进行充放电测试500次（500 h）以后，FePc-{PW₁₂}@NT基锌-空气电池依旧表现出很好的稳定性。

图3. FePc-{PW₁₂}@NT基锌-空气电池电化学性能

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是山西大学朱胜博士，通讯作者是山西大学朱胜博士、中科院深圳先进技术研究院王晓博士和南方科技大学杨烽博士。

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Biaxially-Strained Phthalocyanine at Polyoxometalate@Carbon Nanotube Heterostructure Boosts Oxygen Reduction Catalysis

Sheng Zhu, Lingtong Ding, Xuehuan Zhang, Kun Wang, Xiao Wang, Feng Yang, Gaoyi Han

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202309545