隨著社會的迅速發展，過度使用化石燃料導致了嚴重的氣候環境問題。在中國致力于高質量發展和實現“雙碳”目標的背景下，清潔能源轉換和儲能技術展示了巨大的潛力。近年來，氫氧燃料電池和二次電池已被廣泛認可為可行的解決方案。然而，這些電池的廣泛應用受到電池中陰極上緩慢的多電子氧還原反應（Oxygen Reduction Reaction，ORR）的限制。雖然鉑基催化劑被認為是ORR的最佳催化劑，但其稀缺性和穩定性問題限制了其廣泛應用。因此，研究人員們致力于開發一種低成本、高性能和耐用的非貴金屬基ORR催化劑。
為了制備ORR催化劑，人們廣泛使用由無機金屬和有機配體構成的微孔金屬有機骨架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）。由于其高碳含量，MOFs材料已成為制備碳基催化劑的首選前體。在ORR中，原子分散的Fe-N4位點被確認為有效的活性中心。特別是分子金屬酞菁（MPc）由于其獨特的電子結構和與多種底物的兼容性而具有吸引力。通過將MPc活性位點錨定在碳基底上，可以方便地制備出低成本、高性能和耐用的非貴金屬基ORR催化劑。
近日溫州大學化學與材料工程學院錢金杰副研究員提出了一種有效的方法。他們使用由MOFs前體熱解制備的多孔氮摻雜碳材料NC-1000來固定鐵酞菁（FePc），從而制備出具有高效ORR催化活性的復合催化劑FePc@NC-1000。通過MOFs前體制備的NC-1000具有較大的孔隙率和豐富的孔隙缺陷。與此同時，NC-1000中的氮位點不僅有利于FePc的吸附，還優化了Fe-N4位點的電子分布，進一步提升了催化活性中心的穩定性。
FePc@NC-1000復合材料含有大量的Fe-N4活性中心，因此展現出優秀的ORR活性（氧還原反應）。FePc@NC-1000具有較低的起始電位（0.99 V）和較大的極限電流（5.96 mA/cm2）。此外，我們利用FePc@NC-1000構建的鋅-空氣電池表現出良好的性能和耐久性，這表明該材料在實際應用中具有巨大的潛力。我們的研究為高效、低成本的非貴金屬基電催化劑的開發和制備提供了合理的設計策略，并為其在能源相關領域的實際應用提供了方向指導。
這項研究的成果題為《Immobilization of iron phthalocyanine on MOF-derived N-doped carbon for promoting oxygen reduction in zinc-air battery》，發表在《Journal of Colloid and Interface Science》（中科院1區，Top，IF=9.965）上。溫州大學為第一通訊單位，溫州大學化材學院2018級本科生董桉瑞為第一作者，錢金杰副研究員為通訊作者、昭通學院李啟彭教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（22105147，21601137）、浙江省自然科學基金項目（LQ16B010003）、浙江省溫州市基礎科技研究項目（H20220001, G20190007）和云南省地方本科高?；A研究聯合專項資金項目（202101BA070001-042）的資助。
參考文獻：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.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.06.043
