燃料电池和金属-空气电池具有零污染、高效率的特点，在可持续能源技术中具有广阔的应用前景。使用昂贵和稀缺的Pt基材料作为阴极催化剂以克服氧还原反应的缓慢动力学（ORR）限制了这种装置的可扩展性。近年来，非贵金属ORR催化剂的研究取得了长足的进展。尽管金属大环配合物(MMC)具有明确的M-N₄ (M = Fe, Co, Mn, Cu等)结构引起了广泛的关注，然而MMC的ORR 性能通常不尽如人意，因为MCC表现出导电性差，电子分布对称、较差的O₂吸附和低活化等问题。MMC改性导电碳材料可以有效地解决这些问题，同时实现比纯MMC催化剂更好的电化学性能。

有鉴于此，南昌大学袁凯教授和陈义旺教授等人，综述了近年来MMC功能化碳基ORR催化剂的研究进展，并结合近年来的实验和理论研究，讨论了当前MMC功能化碳基ORR催化剂面临的挑战和前景。

本文要点

1）采用MMC改性导电碳材料是同时提高MMC的导电性、O₂吸附和ORR催化活性的有效方法。总结了四大类碳材料（石墨烯、碳纳米管、炭黑和其他碳材料）负载MMC催化ORR的研究进展，系统介绍了MMC改性碳材料的合成策略：引入第五轴向配体、调整中心金属种类和纳入多孔框架等。综述了MMC与碳载体的连接方式（共价和非共价），以及不同连接方式两者之间的相互作用。

2）尽管碳负载的 MMC 基催化剂已经取得了较大进展，但此类催化剂的实际应用仍有许多问题需要解决。（1）提高MMC电催化剂固有ORR活性的研究仍然是实现工业应用的关键。（2）应提高复合催化剂的稳定性，以确保在实际应用中性能不会出现明显下降。在燃料电池等实际设备中，通常需要强酸和高氧环境。在如此恶劣的条件下，M-N₄ 结构中的金属离子很容易与质子交换，导致活性中心丢失，并且碳载体的氧化腐蚀也会影响复合催化剂的稳定性和耐久性。因此，如何有效防止MMC结构和碳载体被破坏，是保持催化剂ORR活性的重要前提。（3）正确理解基于MMC 电催化剂的演变和电催化反应的机理。应该探索所有可能的ORR途径，从根本上了解电催化剂的结构和性能之间的关系。结合原位光谱得到有关于结构-活性之间的关系，以便于探索活性中心的反应机制和失活机理，并设计和发展出高活性和稳定性的电催化剂。

参考文献：

Yaoshuai Hong et al. Molecular Control of Carbon-Based Oxygen Reduction Electrocatalysts through Metal Macrocyclic Complexes Functionalization. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202100866

https://doi.org/10.1002/aenm.202100866