碳基铁酞菁单原子催化剂的构筑及其ORR催化性能

　　众多研究证实：含有Fe-N-C基元的材料对氧还原反应（ORR）具有很好的潜在催化作用。随着碳材料，尤其是石墨烯的发展，使得含有Fe-N-C基元的单原子催化剂的制备成为可能。铁酞菁（FePc），作为本征含有Fe-N-C的小分子，在上世纪60年代已被证实对ORR具有催化作用。但因FePc易团聚、导电性低等性质一直限制着它的ORR催化活性。那么，如何基于碳材料构筑含有FePc的高效单原子催化剂？目前，各种碳基FePc复合材料，无论是通过化学方法还是物理方法合成，甚至通过粉末研磨，均能使其对ORR的催化性能得到显著提高。流行的解释是：FePc与碳材料间存在比较强的非共价键作用。原因仅仅如此吗？ 

　　Fe(II)Pc/Fe(III)Pc/rGO 变价单分子异质结及ORR催化活性 

　　中国科学院福建物质结构研究所康龙田课题组以氧化石墨烯（GO）作为基底，通过控制FePc的前驱体高氯酸铁酞菁与GO的比例，最终成功制备了FePc均匀分散的FePc/rGO复合材料。在对ORR催化过程中，相对于商业Pt/C，该材料的起始电位（1.000 vs 0.973 V）与半波电位（△E1/2 =100 mV）更正。SEM、TEM、XRD、FRIR、XPS等分析结果强烈暗示：FePc与石墨烯之间存在化学键。 

　　得益于北京同步辐射装置（BSRF），我们利用1W1B-XAFS实验站的技术比较了Fe箔、FePc、FePc/rGO的XANES与XAFS，直接证实了铁酞菁与rGO之间存在Fe(III)-O-C键。通过第一性原理计算，我们也从理论上证实了该化学键的形成对ORR催化性能的提高起了关键作用。我们进一步研究发现：Fe-O-C键的形成使得我们首次获得了Fe(II)Pc/Fe(III)Pc/rGO这种对ORR具有高效协同催化作用的变价分子异质结，如上图所示。相关成果以“The synthesis and synergistic catalysis of iron phthalocyanine and its graphene-based axial complex for enhanced oxygen reduction”的题目发表于2018年发表在Nano Energy上。 

　　相关连接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.02.026 

　　在进一步的实验中，我们尝试以含氧的碳纳米管作为基底，在液相中分别采用化学法、物理法也成功制备了FePc均匀分散的碳基FePc复合纳米材料，即单原子Fe催化剂。通过全面的表征与分析我们证实：FePc与碳材料之间的Fe-O-C键是容易形成、普遍存在且对ORR的催化起着关键作用。相关成果也于2018年陆续发表在《Journal of power Sources》与《Electrochimica Acta》上。 

　　发表文章: 

　　Jia Guo, Xiaomei Yan, Qin Liu, Qiang Li, Xiao Xu, Longtian Kang*, Zhanmin Cao**, Guoliang Chai**, Jun Chen, Yaobing Wang and Jiannian Yao, The synthesis and synergistic catalysis of iron phthalocyanine and its graphene-based axial complex for enhanced oxygen reduction, Nano Energy, 2018,46, 347-355.