从金属有机框架到单原子铁掺杂氮掺杂多孔碳：在碱性和酸性介质中的高效氧还原反应

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摘要：
高负载量原子分散金属催化剂的制备是催化领域的难题。本文采用混合配体策略合成卟啉基金属有机框架，经热解得到铁负载量1.76 wt%的单原子催化剂Feₛₐ-N-C，其兼具分级孔道、定向介孔和高导电性，在酸碱介质中氧还原活性与稳定性均优于多数非贵金属催化剂和商用Pt/C。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：单原子催化剂高金属负载量制备困难，传统MOF衍生材料孔径无序、传质受限，ZIFs衍生物微孔结构影响活性位点可及性。
2. 本文创新：以PCN-222为前驱体，通过Fe-TCPP与H₂-TCPP混合配体调控Fe原子间距，热解后获得高负载单原子Fe催化剂，兼具定向介孔与分级孔结构。

实验部分：
1. MOF制备：合成Feₓ-PCN-222（x=0、20、40），Fe₂₀-PCN-222的BET比表面积达2062 m²/g，含1.2 nm微孔和3.2 nm介孔。
2. 催化剂制备：Fe₂₀-PCN-222在800℃热解，去除ZrO₂后得到Feₛₐ-N-C，Fe负载量1.76 wt%。
3. 氧还原测试：在0.1 M KOH和0.1 M HClO₄中测试催化性能，含稳定性、甲醇耐受性及不同转速下的电化学测试。

分析测试：
1. 结构表征：XRD显示Feₛₐ-N-C为石墨化碳，无铁基物种峰；TEM和HAADF-STEM证实单原子Fe分散，无颗粒聚集。
2. 孔结构分析：Feₛₐ-N-C的BET比表面积532 m²/g，含1-2 nm微孔和9 nm介孔，SAXS证实7-22 nm有序孔道。
3. 成分与电子结构：XPS和XAS表明Fe以Fe-N₄配位存在，Fe为+δ价；元素分析得N含量4.67 wt%。
4. 电化学测试：碱性条件下E₁/₂=0.891 V，Jₖ=23.27 mA/cm²；酸性条件下E₁/₂=0.776 V，H₂O₂产率<1%，电子转移数≈4。
5. 结果揭示：单原子Fe-N₄为活性中心，分级定向孔道促进传质，高石墨化度提升导电性，协同实现高效氧还原。

总结：
1. 主要研究结果：成功制备高负载单原子Feₛₐ-N-C催化剂，在酸碱介质中均展现优异氧还原性能。
2. 创新突破：提出MOF混合配体策略，实现高负载单原子分散与定向分级孔结构的协同构建。
3. 潜在意义：为燃料电池等能源装置提供高效非贵金属催化剂，开辟单原子催化剂精准合成新路径。

From Metal–Organic Frameworks to Single‐Atom Fe Implanted N‐doped Porous Carbons: Efficient Oxygen Reduction in Both Alkaline and Acidic Media
文章作者：Long Jiao, Gang Wan, Rui Zhang, Hua Zhou, Shu-Hong Yu, Hai-Long Jiang*
DOI：10.1002/anie.201803262
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201803262

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