一種具有非均相金屬元素分布的異質結構 (FePc/CoPc HS) ORR電催化劑

溶劑熱法合成了一種具有非均相金屬元素分布的異質結構 (FePc/CoPc HS) ORR電催化劑，實現了對FePc穩定性和催化活性的協同提升。相比于FePc，FePc/CoPc HS展現出更高的動力電流密度 (增加了**) 和更持久的穩定性 (增加了20.5%)。此外，FePc/CoPc HS作為陰極催化劑組裝的鋅空氣電池實現了高功率密度 (128 mW cm?2) 和高開路電壓 (1.67 V)。通過XAFS和DFT計算揭示了異質結構的設計能夠誘導產生延長的Fe-N鍵，增加Fe活性位點周圍的電子密度,以及減小HOMO-LUMO分子軌道能隙，使其展現出**的ORR性能。

FePc/CoPc HS中出現明顯的衍射峰，和β-相酞菁鈷的標準卡片相對應，證明這種異質結構材料具有較高的結晶度，并且傾向于采用β-相酞菁鈷的晶體結構（圖1b）。通過TEM （圖1c），HAADF-STEM及其對應的EDS能譜（圖1d-i），可以看出FePc/CoPc HS中Fe元素主要分布在微米棒的兩端，而鈷元素集中在微米棒的中間部分，這一結果證明了異質結構微米棒的成功筑構。 

圖2 a) Co的k邊XANES, b) FePc/CoPc HS、CoPc和Co箔的傅里葉變換EXAFS光譜。c) b）圖中FePc/CoPc HS和CoPc EXAFS圖譜的局部放大圖。d) Fe的k邊XANES, e) FePc/CoPc HS、FePc和Fe箔的傅立葉變換EXAFS光譜。f) e圖中FePc/CoPc HS和FePc EXAFS圖譜的局部放大圖。(a, d) 中的插圖是相應的XANES圖譜的放大圖像。

作為ORR催化劑，FePc/CoPc HS具有較高的ORR活性，提升的穩定性，并促進ORR過程向4電子方向進行，過氧化氫的產率很低。當用作鋅空氣電池的陰極催化劑時，開路電壓高達1.67 V。這種新穎的異質結構設計為優化電子結構提供了一種新的設計方法，為酞菁基ORR電催化劑的設計提供了新思路。