近日，化学化工学院何纯挺教授带领的分子基能源化学(LMEC)团队在国际顶级期刊 Journal of the American Chemical Society (JACS) 上发表题为“Optimizing Spatial Density of Single Co Sites via Molecular Spacing for Facilitating Sustainable Water Oxidation”的研究论文，并被遴选为封面文章 (Supplementary Cover) 。论文唯一通讯作者为何纯挺教授，第一作者为章佳博士和硕士生陈毫；江西师范大学千为论文第一完成单位；该研究工作得到了国家自然科学基金、江西省自然科学基金和江西省“双计划”的资助。
近年来，单原子催化剂 (SAC) 在多相催化领域显示出了卓越的潜力。目前，科研工作者常通过提高金属原子的负载量以提升 SAC 中活性位点的数目，从而获得催化性能更高的 SAC。但随着金属负载量的增大，金属或活性中心的团聚难以避免，限制了催化剂中有效活性密度的进一步提升。此外，如何在苛刻的工况条件中保持长期的稳定性，仍然是这类 SAC 在工业应用中面临的巨大挑战。LMEC 团队结合多年的分子基材料研究经验，另辟蹊径，提出以共轭有机酸酐作为间隔分子优化酞菁钴位点的空间分布，制备了系列活性密度可调的分子间隔单原子催化剂 (msSAC)。该工作揭示了单原子位点的空间密度是优化催化性能的另一个重要参数；在不明显改变活性位点的总数目和电子结构的情况下，也可以显著地提高有效活性密度，催化传质和催化耐久性。
该团队设计不同长度的有机酸酐作为间隔分子合成了一系列新型的msSAC。不同长度的酸酐分子不仅可以有效调节催化中心金属原子的利用率，进而显著影响表观活化能，还可以通过位点的空间网格化有效改善电催化过程中的传质和气体扩散。根据此策略所制备的催化剂 CoPc-PM@CNT 在1.58 V 下，质量活性高达 (1.63±.0.01)×105A·g-1, TOFbulk 高达27.7±4.6 s-1，优于目前报道的所有碱性析氧反应 (OER) 催化剂。此外，在 2.0 A·cm-2 的超高电流密度和工业条件下(50℃, 6 M KOH), 该催化剂表现出优异的稳定性，其降解速率仅为 0.1mA·cm-2geo·h-1，并能维持 99.5% 的电流密度长达 100 小时以上。
该研究不仅为优化单原子的空间密度和性能提供了一种友好的分子增强策略，并为设计高效、稳定、低成本的能源催化剂提供了新的视角。
原文链接：
Optimizing Spatial Density of Single Co Sites via Molecular Spacing for Facilitating Sustainable Water Oxidation
Jia Zhang,‡ Hao Chen,‡ Shou-jie Liu, Li-Dong Wang, Xue-Feng Zhang, Jun-Xi Wu, Li-Hong Yu, Xiao-Han Zhang, Sheng-Liang Zhong, Zi-Yi Du, Chun-Ting He,* Xiao-Ming Chen
J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI:10.1021/jacs.3c06665