铁酞菁功能化硼掺杂石墨烯复合材料的绿色合成及其卓越氧还原性能研究

　　本刊推荐：本研究采用绿色溶剂成功合成铁酞菁（FePc）功能化硼掺杂石墨烯（BG）复合材料，展现出超越商业铂碳催化剂（Pt/C）的氧还原反应（ORR）性能。该催化剂具有1.01 V的起始电位（onset potential）和0.9 V的半波电位（half-wave potential），其4.7 mA/cm2的极限电流密度（limiting current density）为可持续燃料电池应用提供了新解决方案。

　　

亮点解析

铁酞菁（FePc）功能化硼掺杂石墨烯（BG）的合成方案

铁（II）酞菁（FePc）（96%）购自Alfa Aesar，20wt%铂碳催化剂（Pt/C）和硼掺杂石墨烯（BG）购自西格玛奥德里奇。BG制造商提供的技术参数：BET比表面积≥500 m²/g，硼含量2%，平均层数1-5层。在标准实验设计中，将7.5 mg BG和10 mg FePc分别分散于0.1 mg/ml浓度的乙醇溶液中。通过超声处理实现FePc和BG的充分分散，随后通过磁力搅拌24小时促进分子间相互作用。最后通过真空过滤收集FePc功能化BG复合材料（标记为BGFePc43），并在60°C真空条件下干燥12小时。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

如前所述，FePc具有18-π电子共轭体系，可通过π-π堆叠作用与BG的离域π电子系统产生相互作用。通过FTIR光谱测定揭示了FePc与BG之间的相互作用。初始对硼掺杂石墨烯的FTIR光谱分析（补充材料图S1）证实了样品中硼元素的存在：在1380 cm^-1处出现的特征峰对应B-C键振动，而位于1080 cm^-1处的峰则归属于B-O键振动。

结论

本研究致力于开发一种成本效益显著且性能超越商业Pt/C催化剂的碱性燃料电池氧还原电催化剂。通过采用乙醇作为绿色溶剂，实现了铁酞菁与硼掺杂石墨烯的功能化复合。TEM图像显示BGFePc43复合催化剂中FePc分子呈现均匀分布且聚集现象显著减少。