研究内容

氮配位铁(Fe-N 4 )材料是燃料电池正极极氧还原反应(ORR)中最有前途的非贵金属电催化剂。然而，Fe-N 4 电催化剂的分子水平结构设计仍然是一个巨大的挑战。

中国科学技术大学吴长征 开发了一种新型的Fe-N 4 共轭有机聚合物(COP)电催化剂，该催化剂具有Fe-N 4 结构，展现出前所未有的ORR性能。与大多数ORR电催化剂相比，吡嗪连接的铁配位四吡咯( Pz-FeTPr ) COP 电催化剂表现出优异的性能，半波电位为 0.933   V 和 40000 次循环后活性几乎不衰减。当用作氢氧化物交换膜燃料电池中的正极电催化剂时， Pz-FeTPr COP 实现了 ~210 mW cm -2 的峰值功率密度。相关工作以“ Pyrazine-linked Iron-coordinated Tetrapyrrole Conjugated Organic Polymer Catalyst with Spatially Proximate Donor Acceptor Pairs for Oxygen Reduction in Fuel Cells ” 为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1 . 作者通过吡嗪-2,3,5,6-四腈 ( TCNP)分子的缩聚反应，合成了一种新的吡嗪连接的铁配位四吡咯(Pz-FeTPr)COP电催化剂。空间上接近的铁吡咯/吡嗪(FePr/Pz)对整合到完全共轭的聚合物网络中赋予了FePr位点稳健的共价键合基质和高度致密的分布。空间邻近的供体-受体(D FePr -A Pz )对增强了d-π电子耦合，促进了分子内电荷转移。

要点 2. Pz-FeTPr COP 电催化剂表现出优异的性能，半波电位为 0.933   V 和在 40000 次循环后可忽略的活性衰减。当用作氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFC)中的正极电催化剂时， Pz-FeTPr COP 实现了 ~210 mW cm -2 的峰值功率密度。

要点 2. 原位拉曼和密度泛函理论(DFT ) 计算表明，在空间上接近D-A修饰的Fe-N 4 位点上存在非协同质子-电子转移步骤，这是ORR动力学加速的主要原因。

该工作有望指导设计具有明确活性位点的Fe-N 4 催化剂，并通过自下而上的COP材料合成策略提高ORR性能。

研究图文

图1 . Pz-FeTPr COP 。

图 2. Pz-FeTPr的分子和电子结构表征。

图 3 . ORR性能和燃料电池。

图4 . D-A对修饰Fe-N4位点的ORR机理。

文献详情

Pyrazine-linked Iron-coordinated Tetrapyrrole Conjugated Organic Polymer Catalyst with Spatially Proximate DonorAcceptor Pairs for Oxygen Reduction in Fuel Cells

Yang Wang, Minghao Wang, Ting Chen, Weisheng Yu, Hongfei Liu, Han Cheng, Wentuan Bi, Ming Zhou, Yi Xie, Changzheng Wu*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202308070

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