近日，太原理工大学郭俊杰教授团队在分子团簇ORR电催化材料领域取得研究进展，在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（一区TOP期刊，影响因子16.7）发表了题为“Highly dispersed ultrasmall iron phthalocyanine molecule clusters confined by mesopore-rich N-doped hollow carbon nanospheres for efficient oxygen reduction reaction and Zn-air battery”的研究论文。论文第一作者是硕士研究生张航，通讯作者是新材料界面科学与工程教育部重点实验室郭俊杰教授和章海霞副教授。
该工作利用富缺陷多孔碳（NHCS）中介孔对FePc分子团簇的限域效应，构建了富缺陷NHCS负载FePc分子团簇催化剂。研究发现NHCS的分级孔结构有效提升了Fe-N4活性位点的暴露程度及利用率，且有助于改变Fe原子的局域电子结构，提升Fe-N4活性位点的本征活性。制备的FePc-NHCS-500电催化剂具有优异的碱性ORR性能，其起始电位为1.02 V，半波电位为0.94 V，并表现出优异的循环稳定性。采用FePc-NHCS-500电催化剂作为空气电极，组装成的ZAB具有良好的电池性能。本研究为设计低成本、高性能的非贵金属催化剂提供了一种新的途径。
图1 FePc-NHCS-500合成示意图
图2 ORR在O2饱和0.1 M KOH溶液中的性能评价：（a）催化剂的LSV极化曲线（转速：1600 rpm；扫描速率：10 mVs-1），（b）催化剂E1/2和在0.9 V处的Jk，（c）催化剂的Tafel斜率，（d）FePc-NHCS-500在不同转速下的LSV极化曲线，插图：K-L图和n，（e）用RRDE测定H2O2产率和n，（f）FePc-NHCS-500的5000圈CV循环前后的LSV极化曲线
对以FePc-NHCS-500催化剂作为空气阴极组装的ZAB进行了测试，FePc-NHCS-500基液态ZAB的开路电压为1.524 V，峰值功率密度为230 mWcm-2，并且在10 mAcm-2的电流密度下保持稳定运行125 h，没有明显的衰减现象。基于FePc-NHCS-500的全固态ZAB的开路电压为1.459 V，峰值功率密度为134 mWcm-2。组装的全固态ZAB可以为LED面板供电，揭示了FePc-NHCS-500在柔性设备中的应用潜力。
图3 ZABs性能：（a）液态ZAB的示意图，（b）FePc-NHCS-500基ZAB和Pt/C基ZAB的OCV曲线，插图:OCV为1.524 V的FePc-NHCS-500基ZAB的照片，（c）ZAB的放电极化曲线和功率密度图，（d）ZABs在10 mAcm-2恒流下的放电分布，插图:两个FePc-NHCS-500基ZABs串联照明LED的照片，（e）FePc-NHCS-500基ZABs在2-20 mAcm-2不同电流密度下的放电曲线，（f）FePc-NHCS-500基ZAB在10 mAcm-2下的充放电循环曲线。全固态ZAB：（g）组装示意图，（h）OCV曲线，插图:由两个基于FePc-NHCS-500的全固态ZABs串联照明的LED照片，（i）放电极化曲线及功率密度图
该工作实现了高活性高稳定性Fe-N-C催化剂的设计，解决了非贵金属催化剂ORR催化活性低、活性位点利用率不足的问题，为开发新型高效电催化材料提供了新思路。本工作得到了国家自然科学基金、山西省自然科学基金等项目的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143996
