新聞網(wǎng)訊 近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)碩士研究生陳泓霓同學(xué)在電催化領(lǐng)域取得了系列學(xué)術(shù)成果，圍繞多糖主客超分子氧還原電催化劑的兩電子反應(yīng)機(jī)制和異構(gòu)共價(jià)有機(jī)框架氧還原電催化劑的四電子反應(yīng)機(jī)制，在《Nature Communications》和《Advanced Materials》期刊分別發(fā)表了題為“Host-guest-induced electronic state triggers two-electron oxygen reduction electrocatalysis”和“Regulating the Isomerization Geometry and Energy State of Covalent Organic Frameworks for Enhanced Oxygen Reduction Activity”的論文。陳泓霓同學(xué)為以上論文的第一作者，龍曉靜教授為獨(dú)立通訊作者，我校是唯一通訊單位。
電化學(xué)氧還原反應(yīng)（ORR）因其反應(yīng)環(huán)境溫和且能利用綠色電力，被視為清潔生產(chǎn)H?O?的有效途徑。非金屬碳基材料雖然具有巨大潛力，但在實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)物濃度和生產(chǎn)效率方面仍面臨挑戰(zhàn)。超分子聚合物憑借獨(dú)特的分子識(shí)別能力和動(dòng)態(tài)交聯(lián)特性，在催化領(lǐng)域潛力巨大。然而，針對(duì)高效氧還原制過(guò)氧化氫的超分子電催化劑研究較少。因此，設(shè)計(jì)具有高效選擇性和ORR活性的超分子氧還原電催化劑用H?O?合成至關(guān)重要。
基于這一科學(xué)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)實(shí)施了一種創(chuàng)新的動(dòng)態(tài)主客體策略，旨在精確調(diào)控并合成高性能的超分子電催化劑。具體通過(guò)將主客體單元插入到共軛微孔分子骨架中，成功開發(fā)出兩種新型動(dòng)態(tài)交聯(lián)的超分子電催化劑。動(dòng)態(tài)可調(diào)的分子網(wǎng)絡(luò)顯著增強(qiáng)了這些結(jié)構(gòu)框架內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移，優(yōu)化了活性位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，影響了主客超分子的本征活性，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的兩電子氧還原電催化性能。
此外，共價(jià)有機(jī)框架（COFs）作為另一類高效催化材料，其構(gòu)建單元通常由不同元素組成，并且以多變的成鍵方向和角度連接，形成截然不同的分子構(gòu)型、堆積方式和不飽和狀態(tài)，使得僅通過(guò)控制單一因素深入探究分子結(jié)構(gòu)與催化活性之間的關(guān)系變得極為復(fù)雜。
為解決這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種幾何異構(gòu)化策略，旨在最小化COFs在ORR過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘能（ΔE）、平均局部電離能（ALIE）和吉布斯自由能（ΔG）。該成果發(fā)表于Adv. Mater.期刊，為COF的異構(gòu)化開拓了全新范式，強(qiáng)調(diào)了電荷調(diào)節(jié)對(duì)高效催化的關(guān)鍵作用。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22375111），山東省自然科學(xué)基金（ZR2024JQ037, 2021KJ018）和泰山學(xué)者青年人才項(xiàng)目（No. tsqn201909090）的支持。
論文鏈接：
（1）https://www.nature.com/articles/s41467-024-53714-3.
（2）https://doi.org/10.1002/adma.202500063.
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