氧还原反应（ORR）是现代新型电化学能源装置的核心反应，因此，开发高效的ORR电催化剂对于该类装置的发展具有重要意义。而贵金属气凝胶（NMAs）由于其分级多孔的形态、优异的活性和自支撑的特性在电催化领域表现出巨大的应用潜力，有望开发出具有高ORR活性和长期稳定性的NMAs基电催化剂。然而，如何通过特定的功能配体分子表面修饰实现对NMAs的电催化性能进行调控，仍然是设计具有更高活性的NMAs基电催化剂所面临的巨大挑战。基于上述研究背景，西北工业大学纳米能源材料研究中心文丹教授和高唯副教授课题组提出了一种简便的金属酞菁（MPc）分子功能化修饰Pt气凝胶的方法，将MPc分子通过Pt-S键连接到Pt气凝胶表面，利用MPc分子与Pt气凝胶之间的协同催化作用，大大提高了Pt气凝胶的ORR电催化活性和稳定性。并将这种功能化修饰方法应用于Pt纳米颗粒和商业化Pt/C，实现了对一系列Pt基材料的表面功能化修饰，使得其ORR性能均得到明显提升。理论计算结果表明MPc分子构造的分子界面与氧气有更强的结合能，有利于O-O键的断裂，促进ORR的进行。另一方面，MPc分子与Pt金属的相互作用调控了Pt的电子结构，降低了Pt的d带中心和氧中间体的吸附能，极大的提升ORR本征活性。其中，铁酞菁（FePc）分子修饰的Pt气凝胶（Pt aer-FePc）表现出最优的ORR性能，质量活性为商业化Pt/C的4.5倍，可作为高效的ORR电催化剂。要点1. 通过对Pt aer-FePc的形貌和结构进行分析表明的FePc分子成功修饰到Pt气凝胶表面，并且FePc分子修饰后不会改变原始Pt气凝胶的形貌和晶体结构等。进一步通过TGA和ICP-OES对FePc分子的含量进行测试，其中FePc分子的含量约占6.9 wt%。要点2. 通过XPS测试来表征Pt aer-FePc的元素组成和表面电子结构，探究FePc分子和Pt气凝胶之间的作用机制。结果表明FePc分子通过Pt-S键成功修饰到了Pt气凝胶的表面，有效的调节了气凝胶的表面电子结构，有利于提升其ORR性能。 要点3. 与纯Pt气凝胶和商业化Pt/C催化剂相比，Pt aer-FePc表现出明显更优的ORR活性和稳定性，并广泛适用于不同pH电解质溶液。▲图4 Pt aer-FePc的ORR性能提升机理探究要点4. 通过密度泛函理论（DFT）计算来阐明Pt aer-FePc对ORR的催化活性增强机制。计算结果表明，FePc分子功能化修饰Pt气凝胶后，一方面可以构造与氧气更容易接触的界面，有利于O-O键的断裂，加快反应的进行；另一方面还可以减弱氧中间体在催化剂表面的吸附，降低反应的过电位，提升其ORR本征活性。▲图5 FePc分子修饰Pt NPs和商业化Pt/C的ORR性能要点5.同样通过Pt-S键合作用将FePc分子修饰到Pt NPs和商业化Pt/C的表面，使得其ORR性能均得到明显提升，证明该表面功能化修饰方法对于Pt基材料的通用性。总之，本工作提出了一种MPc分子表面功能化修饰Pt气凝胶的通用策略，并大大提高了Pt气凝胶对ORR的电催化性能。这不仅为金属气凝胶的功能化导向设计提供了新的见解，并且为开发用于燃料电池和其它能源技术的高性能Pt基ORR电催化剂指明了方向。Yuan, H.; Gao, W.; Xinhao, W.; Ye, J.; Ma, F.; Wen, D. Surface engineering of Pt aerogels by metal phthalocyanine to enhance the electrocatalytic property for oxygen reduction reaction. Materials Today Energy 2023, 101379.DOI: 10.1016/j.mtener.2023.101379https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606923001351课题组负责人文丹教授（介绍见http://teacher.nwpu.edu.cn/2017010109）分别在武汉大学（本科）、中国科学院长春应用化学研究所（博士）和德国德累斯顿工业大学（洪堡学者）求学、工作后，入选国家青年人才项目，加入西北工业大学材料学院，主要的研究方向围绕着功能化纳米材料的电化学，实现高效的生物-/电催化过程，基于此开发新型的生物传感和生物相关能源器件。迄今已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci, Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Anal. Chem.等国际学术期刊发表研究论文70余篇，他引近5000余次，H-指数为38。并受邀撰写英文专著3章。高唯，西北工业大学副教授，主要研究方向为电催化中电极材料的结构设计、组分调控与催化机理探究，及稀土/过渡金属基复合电催化剂在电解水、燃料电池等反应中的催化性能研究。在Adv. Funct. Mater., Nat. Commun., Nano Energy等国际高水平期刊上发表SCI论文40多篇，其中第一作者（共同一作）、通讯作者SCI论文20余篇。
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