科研进展丨通过调控金属酞菁分子面外电荷极化提高氧还原反应活性

2023-05-24
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氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)是燃料电池、金属-空气电池实现能源转化的重要反应。氧气的吸附与活化是ORR的起始步骤。目前,贵金属铂是发展最好的ORR催化剂。由于贵金属材料成本高,无法大规模推广应用。因此,研发高活性、低成本的ORR催化剂是关键问题。其中,过渡金属酞菁分子催化剂(MPc, M=Fe/Co/Ni)是一类典型的非贵金属催化材料,具备结构明确、稳定性高、成本低等特点。但是,金属酞菁分子的ORR催化活性还无法满足实际应用的需求。从原子分子结构上看,金属酞菁分子的催化中心是一个平面的MN4结构,其轴向上的电荷分布完美对称,不利于O2吸附,这是导致金属酞菁分子ORR活性不够高的一个重要原因。通常认为促进氧气在催化位点MN4上的吸附就能够提高ORR催化活性。已经有研究表明,通过对金属酞菁分子MN4的轴向配位修饰,打破轴向配位环境的对称性,诱导面外电荷极化形成,可以有效地影响MN4对O2的吸附以及ORR活性。

近期,松山湖材料实验室粤港澳交叉科学中心李喜玉博士设计提出了一种新的金属酞菁分子轴向配位修饰策略:金属酞菁分子与石墨烯单原子形成轴向氧原子配位构型(如图1所示)。第一性原理计算方法的研究结果表明该策略能够简单有效地调控轴向极化电荷的数目以及O2吸附;并依据O2吸附能这一重要参数,筛选出具备高ORR活性的非贵金属催化材料(如图2所示)。以计算结果为理论指导,与安徽大学林运祥老师、中国科学技术大学宋礼教授开展实验合作(材料合成、结构表征,如图3所示)。实验测试结果表明,所设计提出的催化剂表现出了优异的ORR活性(如图4所示),这为调控金属酞菁分子面外电荷极化提供了新思路。

相关成果以“Promoting Oxygen Reduction Reaction by Inducing Out-of-plane Polarization in Metal Phthalocyanine Catalyst”为题在国际著名期刊Advanced Materials上发表。李喜玉为第一作者,松山湖材料实验室为第一单位。上述研究工作得到了松山湖材料实验室粤港澳交叉科学中心卓越青年学者等基金的支持。

图1 金属酞菁分子轴向配位策略及其诱导面外电荷极化的示意图

图2 轴向极化电荷的调控及其对O2吸附能的影响规律

图3 轴向配位环境的结构表征

图4 ORR性能测试

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302467

 

 

撰稿:粤港澳交叉科学中心