燃料电池和金属空气电池因具有高功率密度、高能量密度、高能量转换效率、产物清洁绿色等优点逐渐受到大众关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢等问题让上述器件在实际应用中受到严重阻碍。Pt基催化剂虽然有着高效的ORR催化活性，但它们在稀缺性和稳定性等方面的问题阻碍了其大规模应用。另一方面，过渡金属-氮-碳（M-N-C）纳米材料已被证明是贵金属催化剂的有效替代品。在这种情况下，合理设计高性价比、高活性、高稳定性的M-N-C基ORR催化剂具有重要意义。

通常，与颗粒金属活性中心相比，M-N-C材料具备较高的原子利用率，大量金属氮配位构型之间的电子相互作用可显著提高催化性能。近年来，金属有机框架（MOF）材料由于其可调的形态和纳米结构、丰富的拓扑结构和多孔性能，被广泛应用于M-N-C的制备当中。同时，MOF衍生的M-N-C也具有更大的比表面积、更高的空间利用率和更多暴露的活性物质。因此，我们期望通过将具有M-N₄活性中心客体分子与MOF衍生多孔碳纳米棒在室温条件下耦合制备原子分散的分子型催化剂，这不仅能保证复合纳米材料的高活性，也能有效避免因高温碳化引起的金属原子团聚现象。

近日，温州大学化学与材料工程学院钱金杰课题组通过逐步合成策略，以吡啶作为表面活性剂获得MIL-68-NH₂-x系列。其中，所制备的MIL-68-NH₂-300经热处理形成的氮掺杂碳纳米棒（NCNS）具有较大的比表面积和丰富的孔隙缺陷，可以有效地吸附和锚定酞菁铁（FePc）。最后，经NCNS和FePc客体分子通过π-π堆积得到FePc@NCNS材料。该材料富电子缺陷和缺电子铁原子之间的强相互作用和电子耦合避免了FePc的大量聚集，同时可暴露更多的活性位点。得益于该分子型催化剂中大量分散的Fe-N₄位点，FePc@NCNS表现出最佳的ORR性能，具有较好的半波电位（0.904 V）、较大的极限电流密度（6.17 mA cm^-2）和高电流保留率（95.7%，20小时）。此外，理论计算表明，FePc@NCNS结构对氧气分子具有较大的吸附能，拥有较强的*OOH吸附能力。本研究将为合理设计和制备MOF衍生的碳纳米分子基催化剂材料提供有效的新思路。

图1 MIL-68-NH₂衍生FePc@NCNS多孔碳纳米材料的合成示意图

本论文以“MOF-derived N-doped carbon nanosticks coupled with Fe phthalocyanines for efficient oxygen reduction”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。温州大学为第一通讯单位，化材学院钱金杰副教授为通讯作者，第一作者为生命与环境科学学院2021级硕士研究生杨远东。该工作受到国家自然科学基金（21601137）、浙江省自然科学基金（LQ16B010003）、温州市基础科学研究项目（H20220001, G20190007）、云南省地方本科高校基础研究联合专项重点项目（202101BA070001-042）等项目资助。

参考文献：

Yuandong Yang, Qiuhong Sun, Jinhang Xue, Shaojie Xu, Lujiao Mao, Tingting Miao, Linjie Zhang, and Jinjie Qian*. MOF-derived N-doped carbon nanosticks coupled with Fe phthalocyanines for efficient oxygen reduction. Chem. Eng. J., 2023, 464, 142668.

DOI: 10.1016/j.cej.2023.142668

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142668