Angew. Chem.：杂环化线性共轭高分子——高效的非金属氧还原催化剂

来源：X一MOL资讯

电催化氧还原反应（ORR）在燃料电池和金属-空气电池等能源转换与存储技术中起着重要的作用。目前，商业化的高性能ORR电催化剂主要使用Pt/C体系。但是，它们存在成本高、耐久性差等缺点，开发高效、廉价的催化剂变得至关重要。

非金属线性天然/合成高分子具有结构稳定、易加工等优点被广泛应用在能源转换领域。多数高分子由于存在导电性差、催化活性位点少的问题，使其自身不具备ORR催化活性，需要通过高温碳化和杂原子掺杂等工艺，得到具有高催化活性的杂原子掺杂碳材料。但是，这些工艺破坏了高分子的精细结构，并且杂原子的构型、位置和含量很难精确调控，限制了其催化性能的提高及催化机理的研究。因此，合理设计分子结构，使其具有良好的导电性及高效的催化活性，对于开发无碳化、无金属的催化材料体系和研究ORR的催化反应机理具有重要意义。

最近，青岛大学杨东江教授和龙晓静教授通过杂环化策略设计、合成了非金属线性共轭高分子，通过与石墨烯（还原氧化石墨烯，rGO）复合，开发出高效ORR催化材料体系。

ORR催化性能测试表明，在碱性电解液下，P-Ph/rGO和P-Se/rGO展现出很低的ORR催化活性，通过将高分子链的苯环或者硒吩结构换成噻吩结构，P-T/rGO的催化活性有了极大的提高，并且其在催化过程中的电子转移数接近4。通过DFT理论计算，解析了不同结构高分子在碱性电解液下具有ORR催化活性机理。通过对比不同模型的活性位点在平衡电势下的自由能，P-T结构中位于吡啶氮上连接五元环噻吩硫的碳原子的过电势为0.59 eV，低于P-Ph和P-Se结构中对应的活性位点的值，说明其具有更高的ORR催化活性。这表明五元环噻吩硫和六元环吡啶氮的协调作用，使高分子结构具有高效ORR催化活性位点。

本工作提出一种杂环化策略，通过合理设计高分子结构，使得非金属纯高分子材料具有高效ORR催化活性。为新型高分子电催化剂的设计提供了全新的思路。