Fe-N-C材料是具有前景的催化劑，替代價(jià)格昂貴的Pt催化劑用于可再生能源轉(zhuǎn)化ORR反應(yīng)。但是，F(xiàn)e-N-C材料的應(yīng)用受制于緩慢的ORR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致高反應(yīng)過(guò)電勢(shì)，而且阻礙能源轉(zhuǎn)化效率。
有鑒于此，香港城市大學(xué)葉汝全副教授、加州理工學(xué)院William A. Goddard III教授等以鐵酞菁（FePc）作為模型催化劑，研究局部應(yīng)力增強(qiáng)Fe-N-C催化劑的ORR性能。
本文要點(diǎn)：
（1）
通過(guò)DFT理論計(jì)算預(yù)測(cè)4e- ORR生成H2O的反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)彎曲、平面FePc催化劑的不同反應(yīng)機(jī)理之間的關(guān)鍵區(qū)別，發(fā)現(xiàn)分子應(yīng)力能夠降低~60 meV的能壘，加快*OH脫附反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
（2）
基于理論預(yù)測(cè)的結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)在單壁碳納米管表面的應(yīng)力FePc催化劑具有0.952的半波電位（E1/2）和35.7 mV dec-1的Tafel斜率，這個(gè)性能達(dá)到目前報(bào)道最好的Fe-N-C催化劑的水平。此外，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)平面FePc和彎曲FePc的E1/2電位相差70 mV，而且具有顯著的Tafel斜率區(qū)別。構(gòu)筑Zn-空氣電池，在電流密度為10 mA cm-2，最大功率密度達(dá)到350.6 mW cm-2，質(zhì)量活性達(dá)到810 mAh gZn-1。
這項(xiàng)研究結(jié)果表明分子應(yīng)力（molecular strain）為調(diào)節(jié)Fe-N-C材料的ORR催化活性提供一種有效的途徑。
參考文獻(xiàn)
Charles B. Musgrave III, Jianjun Su, Pei Xiong, Yun Song, Libei Huang, Yong Liu, Geng Li, Qiang Zhang, Yinger Xin, Molly Meng-Jung Li, Ryan Tsz Kin Kwok, Jacky W. Y. Lam, Ben Zhong Tang, William A. Goddard III*, and Ruquan Ye*, Molecular Strain Accelerates Electron Transfer for Enhanced Oxygen Reduction, J. Am. Chem. Soc. 2025
DOI: 10.1021/jacs.4c16637
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c16637
