近日，中国科学院上海高等研究院纳孔构型的分离与能源转化（SECOND）团队共价有机框架新型催化剂应用于电催化氧还原的研究取得进展，研究成果以“Charging modulation of the pyridine nitrogen of covalent organic frameworks for promoting oxygen reduction reaction”为题发表在《Nature Commnunications》上。论文的第一作者为我院博士生杨修贝和中国科学技术大学博士生安琦正，通讯作者为徐庆副研究员、付钰斌博士和曾高峰研究员。

氧还原反应(ORR)作为金属-空气电池和燃料电池中必不可少的半反应，在电池中起着至关重要的作用。在追求高效催化剂的过程中，无金属材料因其成本效益和优越的化学稳定性而成为有希望的候选材料。在多孔碳材料中掺杂杂原子已被证明是提高催化性能的有效策略。然而，精确控制掺杂位点的位置、内容和类型仍然具有挑战性，这强调了理解这些结构及其相应性质之间关系的必要性。

在本研究中，研究团队通过调节COFs框架中吡啶氮原子的电子态，构建了高活性的催化中心。通过加入不同的吡啶单元（如吡啶、离子吡啶和离子咪唑单元），有效地调整包括偶极矩、还原能力、亲水性和对反应中间体的结合亲和力等材料特性。优化后的含有离子咪唑单元的COF (im-PY-BPY-COF)比电荷中性的COF (PY-BPY-COF)和离子吡啶COF (ion-PY-BPY-COF)具有更高的活性。具体来说，im-PY-BPY-COF在0.1 M KOH下的半波电位为0.80 V，优于其他无金属COFs。理论计算和原位同步辐射傅里叶变换红外光谱测量进一步验证了碳原子在离子咪唑环中的存在通过促进中间OOH*的结合和促进OH*的解吸来提高活性。该研究为COFs中理想活性位点的设计探索提供了有价值的见解，以实现高效的ORR催化。

该研究工作得到国家自然科学基金，上海市科学技术委员会，中国科学院青年创新促进会等项目的资助。先进表征得到了上海光源BL14W1、BL20U1线站支持。

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-46291-y