随着社会的迅速发展，过度使用化石燃料导致了严重的气候环境问题。在中国致力于高质量发展和实现“双碳”目标的背景下，清洁能源转换和储能技术展示了巨大的潜力。近年来，氢氧燃料电池和二次电池已被广泛认可为可行的解决方案。然而，这些电池的广泛应用受到电池中阴极上缓慢的多电子氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）的限制。虽然铂基催化剂被认为是ORR的最佳催化剂，但其稀缺性和稳定性问题限制了其广泛应用。因此，研究人员们致力于开发一种低成本、高性能和耐用的非贵金属基ORR催化剂。
为了制备ORR催化剂，人们广泛使用由无机金属和有机配体构成的微孔金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）。由于其高碳含量，MOFs材料已成为制备碳基催化剂的首选前体。在ORR中，原子分散的Fe-N4位点被确认为有效的活性中心。特别是分子金属酞菁（MPc）由于其独特的电子结构和与多种底物的兼容性而具有吸引力。通过将MPc活性位点锚定在碳基底上，可以方便地制备出低成本、高性能和耐用的非贵金属基ORR催化剂。
近日我院钱金杰副研究员提出了一种有效的方法。他们使用由MOFs前体热解制备的多孔氮掺杂碳材料NC-1000来固定铁酞菁（FePc），从而制备出具有高效ORR催化活性的复合催化剂FePc@NC-1000。通过MOFs前体制备的NC-1000具有较大的孔隙率和丰富的孔隙缺陷。与此同时，NC-1000中的氮位点不仅有利于FePc的吸附，还优化了Fe-N4位点的电子分布，进一步提升了催化活性中心的稳定性。
FePc@NC-1000复合材料含有大量的Fe-N4活性中心，因此展现出优秀的ORR活性（氧还原反应）。FePc@NC-1000具有较低的起始电位（0.99 V）和较大的极限电流（5.96 mA/cm2）。此外，我们利用FePc@NC-1000构建的锌-空气电池表现出良好的性能和耐久性，这表明该材料在实际应用中具有巨大的潜力。我们的研究为高效、低成本的非贵金属基电催化剂的开发和制备提供了合理的设计策略，并为其在能源相关领域的实际应用提供了方向指导。
这项研究的成果题为《Immobilization of iron phthalocyanine on MOF-derived N-doped carbon for promoting oxygen reduction in zinc-air battery》，发表在《Journal of Colloid and Interface Science》（中科院1区，Top，IF=9.965）上。澳门新葡平台网址8883为第一通讯单位，我院2018级本科生董桉瑞为第一作者，钱金杰副研究员为通讯作者、昭通学院李启彭教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（22105147，21601137）、浙江省自然科学基金项目（LQ16B010003）、浙江省温州市基础科技研究项目（H20220001, G20190007）和云南省地方本科高校基础研究联合专项资金项目（202101BA070001-042）的资助。
参考文献：A. Dong, Y. Lin., Y. Guo, D. Chen, X. Wang, Y. Ge, Q. Li, J. Qian, Immobilization of iron phthalocyanine on MOF-derived N-doped carbon for promoting oxygen reduction in zinc-air battery.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.06.043
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