孙世刚院士团队！探究电子结构，新发Nature Catalysis！

研究概述

Fe-N-C催化剂是酸性氧还原反应（ORR）中最有希望替代Pt的材料，但其活性中心的电子结构仍然是个谜。

2025年4月7日，厦门大学孙世刚、王宇成在国际顶级期刊Nature Catalysis上发表了题为《Identifying high-spin hydroxyl-coordinated Fe3+N4as the active centre for acidic oxygen reduction using molecular model catalysts》的研究论文。

该论文合成并表征了一种共轭桥接铁酞菁（FePc）二聚体模型催化剂，其具有与实际催化剂相同的Fe位点和催化活性。研究确定了具有轴向羟基配体的高自旋三价FeN4，即OH–Fe3+N4（S=5/2）为活性状态。

相比之下，单体和非共轭二聚体表现出OH–Fe3+N4（S=3/2）态，具有过高的ORR中间体吸附能。聚合的FePc由35%的S=5/2态和65%的Fe2+N4（S=0或1）态组成，显示出一般较弱的吸附能。过强的和太弱的吸附能都会阻碍氧还原反应(ORR)。

理论计算表明，铁与共轭碳平面之间的π-d相互作用决定了自旋态。该研究有助于精确设计基于铁的ORR催化剂。

图文解读

图1：五种分子催化剂的表征

图2：不同自旋态的电化学行为

图3：理论计算

文献信息

Zhao, KM., Wu, DX., Wu, WK. et al. Identifying high-spin hydroxyl-coordinated Fe3+N4as the active centre for acidic oxygen reduction using molecular model catalysts. Nat Catal (2025). https://doi.org/10.1038/s41929-025-01324-7

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