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天大JACS : 具有假酞菁配位环境的双原子铁,实现超过15w次循环的高效氧还原

催化开天地  · 公众号  ·  · 2024-08-30 08:30

正文

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研究概述
原子级分散的Fe-N-C催化剂是氧还原反应中商业Pt/C有前景的替代品。
然而,大多数Fe-N-C催化剂由于O-O键断裂能力差和Fe快速脱金属而表现出较差的活性和耐久性。
基于此,2024年8月26日, 天津大学丁佳教授 在国际顶级化学期刊 Journal of the American Chemical Society 发表题为《Diatomic Iron with a Pseudo-Phthalocyanine Coordination Environment for Highly Efficient Oxygen Reduction over 150,000 Cycles》的研究论文。
在此,作者通过将铁酞菁的核心域(Fe-N α -C α -N β )嫁接到缺陷碳上,构建了一种假酞菁环境配位的双原子铁(Fe 2 -pPc)催化剂。
原位表征和理论计算证实Fe 2 -pPc遵循快速动力学解离路径,由此Fe 2 -pPc触发桥式氧吸附并催化直接O-O自由基裂解。与具有类超氧吸附和 * OOH参与 路径的传统Fe-N-C和FePc基催化剂相比,Fe 2 -pPc具有0.92 V的优异半波电位。
此外,pPc环境中超强的N α –C α 键赋予了双原子铁活性中心对反应诱导的几何应力的高耐受性,从而显著提高了其抗脱金属能力。
经过创新高的 150000次循环 严格加速降解测试,Fe 2 -pPc的Fe损失可以忽略不计, 且其活性衰减仅为 17 mV ,是已报道的Fe–N–C催化剂中最稳健的候选催化剂。
不仅如此,采用Fe 2 -pPc的锌空气电池也表现出255 mW cm -2 的功率密度和超过440 h的运行稳定性。
这项工作为原子级精密金属催化剂的设计带来了新的见解。






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