近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl教授和Jason S. Bates教授团队在“JACS”上报道了题为“Chemical Kinetic Method for Active-Site Quantification in Fe-N-C Catalysts and Correlation with Molecular Probe and Spectroscopic Site-Counting Methods”的最新研究成果。
该研究的背景是Fe-N-C催化剂作为电催化O2还原和热催化好氧氧化的活性中心，有望替代贵金属，但其发现主要依赖于经验方法。研究通过采用定量原子分散的FeNx活性中心方法，开发了一种动力学探针反应方法，利用苯二酚底物的有氧氧化模型来量化Fe-N-C催化剂中FeNx中心的密度。在研究中，通过低温Mössbauer光谱法、CO脉冲化学吸附法和电化学还原剥离NO2 - 衍生NO的方法对动力学方法进行了比较。研究结果表明，动力学方法得到的FeNx位点密度与其他方法得到的结果吻合良好。此外，该研究指出Fe-N-C材料调查中存在与每个站点量化方法相关的异常值和挑战，而开发的动力学方法无需预处理，也不需要专门设备。总体而言，这项研究为Fe-N-C催化剂的定量结构-反应性关系提供了一种新的分析方法，具有较好的可行性和准确性。
要点1. 采用磺化对苯二酚分子的氧化反应作为Fe-N-C催化剂中单核FeNx活性中心动力学定量的催化探针反应。使用Fe-N-C催化剂对对苯二酚氧化反应的TOF进行了表征，这是一种动力学方法。催化剂通过金属化策略合成，含有溶剂可及的FeNx中心，并用低温Mössbauer光谱进行了表征。
该工作报道了一种新的动力学方法，用于量化FeNx中心。通过定量的氢醌(HQ)来生成醌的初始速率，与低温57Fe Mössbauer光谱、CO脉冲化学吸附和NO2 - 衍生的NO的还原剥离进行了比较。这种动力学方法的优势在于它不需要对Fe-N-C催化剂进行预处理，并且使用易于合成的水溶性醌衍生物。该方法的原理是初始速率反映了FeNx中心的表面反应，而不是Fe聚集体的表面反应。
Jason S. Bates, et al. Chemical Kinetic Method for Active-Site Quantification in Fe-N-C Catalysts and Correlation with Molecular Probe and Spectroscopic Site-Counting Methods. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 26222.
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c08790
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