北化【综述】酞菁分子的结构、合成、及多相电催化剂的应用

酞菁是天然卟啉的结构类似物，具有明确的金属-氮（M–N4）配位结构。天然卟啉作为催化酶在自然界广泛的生物催化过程中发挥重要作用，受此启发，合成简单且成本低廉的酞菁分子在多种工业催化和电催化领域均表现出相应的应用潜力。近些年，鉴于清洁能源转换和存储装置发展的迫切需求，具有明确位点结构和高度可设计性的酞菁分子再次成为研究热点，其在催化机制研究和靶向催化剂设计等方面发挥重要作用，被认为是多种电催化过程最有效的候选催化剂之一。因此，全面概括酞菁在电催化领域的最新进展对于进一步的研究是有必要的，同时有利于克服当前瓶颈，加快实现其在清洁能源转换和存储装置中的实际应用。

基于此，北京化工大学王峰教授、张正平教授团队在《Chemical Society Reviews》上发表了题为“Recent advances in electrocatalysis with phthalocyanines”的综述论文。详细论述了酞菁分子的结构和组成，合成方法，以及基于酞菁的多相电催化剂的应用。基于不同电化学反应的机理，提出了用于电催化氧气还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、氧气析出反应（OER）和氢气析出反应（HER）的酞菁基电催化剂的优化策略。论文还讨论了酞菁基电催化剂的结构/组成与催化活性之间的关系，以应对实际应用中的问题。最后，讨论了酞菁分子及其衍生物作为电催化剂未来的机遇和挑战。

酞菁分子是一个具有18个π电子的大环结构，由四个异吲哚亚基通过氮原子连接构成。酞菁分子具有高度的可设计性，可以通过设计改变中心金属、酞菁大环外围位和湾位基团、中心金属的轴向配体等，来实现不同的功能与应用。

目前对酞菁类电催化剂的研究有两种主要的优化策略。一种是载体负载策略，将金属酞菁分子负载在载体上，构建复合催化剂。所选载体要求具有一定的稳定性、导电性和高的比表面积。酞菁分子在载体上的负载方式是影响该类复合催化剂表现的另一关键因素，可以通过π-π作用和共价键接枝等来构建高效催化剂。另一种优化策略是热解酞菁化合物，将其转化为碳基材料，平衡其催化活性与稳定性。其中热解温度、热解气氛、模板剂的应用以及一些后处理方式等，对于多尺度活性位点的形成发挥重要作用。

尽管酞菁在电催化领域得到了广泛的关注，但仍需加深以下几个方面的研究与理解：

（1）分子结构对酞菁分子理化性质的影响。需要结合理论和实验来更深入研究酞菁分子中四个异吲哚亚基和连接的氮原子的作用，从而指导设计高性能电催化剂；

（2）载体对于酞菁基电催化剂性能的影响。需要更深入和系统的理论计算和实验表征来阐明载体在改变酞菁基电催化剂活性和稳定性方面的作用，包括负载量、载体类型和酞菁-载体之间的相互作用等；

（3）平衡热解过程中活性与稳定性的关系。需要进一步开发无热解或可控热解策略，深入理解不同原子位点的活性与稳定性之间的关系，为克服活性与稳定性之间的反比关系提供指导；

（4）从高比活性位点到高催化活性表面的研究。需进一步提高活性位点密度，利用原子位点和纳米结构之间的协同效应，提高酞菁基电催化剂的催化活性，以适应在工业电催化和能量转换装置中的实际应用。

北京化工大学博士后杨少轩为本文第一作者，王峰教授、张正平教授为本文的共同通讯作者，北京化工大学为唯一完成单位。

来源：北京化工大学

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D0CS01605E