ACS Nano：COFs氧还原新进展

第一作者：Subhajit Bhunia

通讯作者：Luis Echegoyen

单位：德克萨斯大学埃尔帕索分校

研究内容

设计并研制用于氧还原反应（ORR）的N配位多孔单原子催化剂（SAC）能够最大程度上提升原子利用率并实现ORR的高反应活性，因而被认为是一种极具前景的能源转化途径。基于此，德克萨斯大学埃尔帕索分校Luis Echegoyen等人报道了两种基于Co(II)-卟啉/[2,1,3]-苯并噻二唑的共价有机框架（COFs，具体为Co@rhm-PorBTD和Co@sql-PorBTD)，并将它们用于ORR催化过程。

实验结果表明，相较于商业Pt/C（20%）的质量活性（0.85V），Co@rhm-PorBTD和Co@sql-PorBTD的活性分别高出了5.8倍和1.3倍，而其比活性则分别高出了10和2.5倍。当用于Zn-空气电池时，这两种COFs的功率密度和循环稳定性也优于基于Pt/C材料的空气电池。理论研究表明，Co/卟啉与两种不同苯并噻二唑配体的结合能够形成两种具有不同d带中心位置结晶性多孔电催化剂。因此，其在碱性ORR反应体系中的活性有所差异。上述关于COFs材料的研究结果提供了一种无需热解的“自下而上”制备方法，有效避免了SAC材料制备过程中可能出现的随机原子位点、金属离子团聚以及其他可能出现的结构特征。

要点一：利用Co配位的卟啉和苯并噻二唑构筑出了两种具有不同空间结构的COFs材料。

要点二：制得的COFs材料在碱性ORR反应体系中表现出优于商业Pt/C电极的催化活性，且能够显著提升Zn-空气电池的功率密度和循环稳定性。

要点三：DFT模拟结果表明，两种COFs结构差异导致其d带中心不同，因而作为SAC材料的催化活性存在差异。

图1 两种COFs的合成示意图

图2 两种COFs的结构和形貌表征

图3 两种COFs的电化学性能

图4 锌-空气电池性能

图5 非原位和原位XANES表征

参考文献：

[2,1,3]-Benzothiadiazole-Spaced Co-Porphyrin-Based Covalent Organic Frameworks for O₂ Reduction

DOI: 10.1021/acsnano.2c09838

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