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山东理工大学《JCIS》:聚卟啉锰与3D N掺杂石墨烯之间的Mn-N5结构可提高双功能氧催化性能

材料分析与应用  · 公众号  ·  · 2025-02-07 17:00

正文


1 成果简介



共价有机框架(COF)是氧催化领域极具前景的材料。 本文,山东理工大 李忠芳 教授团队在 Journal of Colloid and Interface Science 》期刊 发表名为" Mn-N 5 structure between poly-porphyrin manganese and 3D N-doped graphene to enhance bifunctional oxygen catalytic performance ”的论文, 研究提出 通过对 meso-5, 10, 15, 20-tetra(4-carboxy porphyrin manganese) (TcPorMn)进行脱羧自聚合,合成了具有大分散能和 高稳定性的全共轭高分子卟啉 (PPorMn) PPorMn 的最高 占位分子轨道和最低未占位分子轨道(HOMO-LUMO)间隙减小,增强了其在催化过程中获得和失去电子的能力。 富含吡啶N的三维N掺杂石墨烯(3D-NG)可以锚定PPorMn中的Mn-N4,形成Mn-N5桥接结构,从而促进电子转移。 锰-吡啶N形成的化学键超越了π-π相互作用,为电子转移创造了途径。 这种桥键类似于 “电子泵”,不断向 Mn-N5 位点输送电子,从而提高了 PPorMn 的氧催化活性。 PPorMn/3D-NG RHE 相比具有 0.90 V 的高效 E1/2,并具有出色的双功能氧催化性能(ΔE=0.69V)。 锌空气电池(ZABs)的优异性能表明,它在氧催化能源装置中具有良好的应用潜力。 这项工作为设 计新型COF作为双功能氧催化剂提供了一种前瞻性策 略。


2 图文导读


方案1. The preparation process of PPorMn and PPorMn/3D-NG.


图1. The characterization of samples (a) TEM; (b) HRTEM of PPorMn; (c) the inverse FFT image of (110) plane. (d) Lattice spacing measurement. (e-h) HAADF-STEM of PPorMn and Mapping of C, N, Mn; (i) UV–Vis of TcPorMn, and PPorMn; (j) FT-IR; (k) TG (l) 1H NMR of PPorMn (solvent as DMSO‑d6); (m) Nitrogen adsorption–desorption isotherms and pore-size distribution plots for the samples; (n) PXRD.


图2. The characterization of PPorMn/3D-NG and PPorMn/3D-G. (a) SEM images; (b, c) TEM and HR-TEM images of PPorMn/3D-NG; (d) SAED; (e) HAADF-STEM and mapping of C, N, and Mn elements; (f) UV–Vis diffuse reflectance absorption spectra; (g) Raman spectra of PPorMn/3D-NG, PPorMn/3D-G, and 3D-NG; (h) The XRD of PPorMn/3D-NG and 3D-NG; (i) BET surface area; (j) Pore size distribution; (k) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) full spectra; High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy of PPorMn and PPorMn/3D-NG:, (l) N 1 s, (m) N species content, and (n) Mn 2p.


图3. The ORR and OER test performance evaluation. (a) LSV curves; (b) Tafel curves; (c) The number of electrons transferred and H2O2 yields got from RRDE; (d) The poisoning experiments for PPorMn/3D-NG (O2-saturated 0.1 M KOH) with and without 0.05 M KSCN; (e) OER LSV curves; (f) The ADT curve; (g) ΔE calculation of ORR and OER; (h) Comparison of E1/2, n number, Ej=10, ΔE, Tafel (ORR), Tafel (OER) of PPorMn/3D-NG and the other oxygen catalysts in literature.


图4. The DFT calculations of samples (a) The energy levels of the HOMO and LUMO of TcPorMn and PPorMn; (b) Mn–N4 site and (c) Mn–N5 site models; (d, e) Oxygen adsorption intermediates models (Mn–N5 site); (f, g) The calculated free-energy evolution diagram for ORR of samples; (h) DOS of TcPorMn and PPorMn; (i, j) Charge density difference of PPorMn/3D-G (Mn–N4 site) and PorMn/3D-NG (Mn–N5 site).


图5. The Zn-air batteries performance evaluation (a) Model diagram of Zn-air battery; (b) The discharge curves of ZABs; (c) The charge and discharge polarization curve of Zn-air battery; (d) Specific capacity of ZABs (∼10 mA cm−2); (e) The cyclic stability performance curve of ZAB at 10 mA cm−2; (f) Schematic diagram of F-ZABs; (g) The power density; (h) Galvanostatic discharge and charge curves of Zn-air battery with the PPorMn/3D-NG cathodes under bending.


3 小结


本研究成功合成了具有高热稳定性和较小 HOMO-LUMO 能级间隙的全共轭 PPorMn,并将其与 3D-NG 固定在一起,形成具有 Mn-N5 活性中心的 PPorMn/3D-NG。Mn-N5 结构的创新构建提高了氧催化性能。PPorMn/3D-NG 具有显著的氧催化性能,与 RHE 相比,E1/2为0.90 V。PPorMn/3D-NG 还具有良好的 OER 性能,在10mA cm-2 的电流密度下,其电位较低(与 RHE相比,Ej=10为1.59 V)。它具有良好的双功能催化性能(△E = 0.69 V)。在l-ZABs和F-ZABs中,它还表现出较高的功率密度和循环稳定性。DFT 计算表明,锰-吡啶N桥键作为 “电子泵”,不断将电子从三维-NG转移到锰-N5 位点,从而提高了 PPorMn/3D-NG 的氧催化活性。PPorMn/3D-NG 的催化性能优于之前的研究。这项工作进一步探索了 Mn-N5 结构的电子传递机制,从而为设计高效的双功能氧催化剂提供了支持。它还提出了利用 PPorMn/3D-NG 提高氧催化剂性能和扩大其在氧催化转化装置中应用的可行策略。


文献:

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.02.002

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