隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，過(guò)度使用化石燃料導(dǎo)致了嚴(yán)重的氣候環(huán)境問(wèn)題。在中國(guó)致力于高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下，清潔能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能技術(shù)展示了巨大的潛力。近年來(lái)，氫氧燃料電池和二次電池已被廣泛認(rèn)可為可行的解決方案。然而，這些電池的廣泛應(yīng)用受到電池中陰極上緩慢的多電子氧還原反應(yīng)（Oxygen Reduction Reaction，ORR）的限制。雖然鉑基催化劑被認(rèn)為是ORR的最佳催化劑，但其稀缺性和穩(wěn)定性問(wèn)題限制了其廣泛應(yīng)用。因此，研究人員們致力于開(kāi)發(fā)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(wú)機(jī)金屬和有機(jī)配體構(gòu)成的微孔金屬有機(jī)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(diǎn)被確認(rèn)為有效的活性中心。特別是分子金屬酞菁（MPc）由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和與多種底物的兼容性而具有吸引力。通過(guò)將MPc活性位點(diǎn)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。

近日我?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院錢(qián)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(lái)固定鐵酞菁（FePc），從而制備出具有高效ORR催化活性的復(fù)合催化劑FePc@NC-1000。通過(guò)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(shí)，NC-1000中的氮位點(diǎn)不僅有利于FePc的吸附，還優(yōu)化了Fe-N₄位點(diǎn)的電子分布，進(jìn)一步提升了催化活性中心的穩(wěn)定性。

FePc@NC-1000復(fù)合材料含有大量的Fe-N₄活性中心，因此展現(xiàn)出優(yōu)秀的ORR活性（氧還原反應(yīng)）。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(gòu)建的鋅-空氣電池表現(xiàn)出良好的性能和耐久性，這表明該材料在實(shí)際應(yīng)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(kāi)發(fā)和制備提供了合理的設(shè)計(jì)策略，并為其在能源相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了方向指導(dǎo)。

這項(xiàng)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(fā)表在《Journal of Colloid and Interface Science》（中科院1區(qū)，Top，IF=9.965）上。溫州大學(xué)為第一通訊單位，我?；膶W(xué)院2018級(jí)本科生董桉瑞為第一作者，錢(qián)金杰副研究員為通訊作者、昭通學(xué)院李啟彭教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22105147，21601137）、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ16B010003）、浙江省溫州市基礎(chǔ)科技研究項(xiàng)目（H20220001, G20190007）和云南省地方本科高?；A(chǔ)研究聯(lián)合專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（202101BA070001-042）的資助。

參考文獻(xiàn)：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