氮(N)改性碳催化剂在电催化氧还原(ORR)和析氧反应(OER)中的活性中心、吸附中间产物和速率控制步骤(RDS)的最新机理认识，然而，由于不同的N构型不可避免地共存，以及观察形成的中间体的技术限制，仍然充满争议。

近日，德国马克斯-普朗克化学能源转换研究所Saskia Heumann，Yangming Lin报道了以N种芳香族有机分子为模型，在分子水平上阐述了芳香族有机分子的催化机理。

文章要点

1）研究发现，吡啶氮物种在较宽的pH范围和碱性OER范围内对电化学ORR起着至关重要的作用。结果表明，吡啶类氮以类四电子占优势的方式促进了ORR过程，而且也提高了OER的催化活性，而不是碳的腐蚀性。此外，吡啶氮的边缘位置、锯齿位置或扶手椅位置对催化剂的催化性能没有明显影响。

2）通过精细地控制其纵向延伸(π共轭结构)和边缘构型可以构建活性成分的结构-功能关系。原位ATR-IR光谱和同位素标记研究发现， OOH*（即HO₂*）或O₂-*物种作为关键中间体参与了ORR和OER过程。振动峰的动态演化表明，吡啶类N物种的相邻碳原子很可能是活性中心。

研究工作首次提供了光谱证据，从分子水平上观察了无金属碳催化剂在整个氧电催化过程中关键中间产物和RDS的动态演化。

Yangming Lin, et al, Overall oxygen electrocatalysis on nitrogen-modified carbon catalysts: Identification of active sites and in situ observation of reactive intermediates, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI: 10.1002/anie.202012615

https://doi.org/10.1002/anie.202012615