催化氧還原反應的電催化劑是燃料電池的一個重要組成部分。過渡金屬卟啉（MPs）與過渡金屬酞菁（MPcs）基分子材料作為一類非貴金屬電催化劑，由于其本身低成本、易于制備等特點，吸引了人們的廣泛關注。探索這類電催化劑表面發生的催化氧還原反應（oxygen reduction reaction, ORR），深入理解電催化劑的催化活性位點、與氧氣結合的具體過程等催化機制，完整地理解催化劑的作用機理，對開發新型高效的電催化劑材料有著非常重要的意義。目前已有一些課題組報道了大氣、或者真空環境下MPs/MPcs類化合物發生表面氧化反應的反應中間體與反應產物，但對于這類電催化劑在電化學環境下催化ORR反應過程的原位研究還未有報道。
近日，中國科學院化學研究所萬立駿、王棟研究組首次報道了過渡金屬酞菁類分子材料催化ORR反應過程的單分子變化。他們采用了鐵酞菁（iron(II) phthalocyanine, FePc）作為電催化劑，以Au(111)單晶表面作為基底，在固液界面下通過電化學掃描隧道顯微鏡（electrochemical scanning tunneling microscope, ECSTM）對FePc分子催化ORR反應的過程進行原位觀測。研究發現，在催化ORR反應發生的起始階段，FePc分子會與O2分子結合，形成高對比度的FePc-O2復合物。這種高對比度的FePc-O2復合物的數量會隨著溶液相中氧氣含量的增加而增加。通過電位開啟ORR反應后，高對比度的FePc-O2復合物會立刻轉變為低對比度的FePc分子。理論模擬結果證實了這一過程中對比度的轉變的發生。
這一研究結果也為MPs/MPcs類分子材料催化ORR過程催化反應機理以及催化活性位點的研究提供了原位的實驗結果，這對新型高效的分子催化劑材料的開發提供了基礎。
該研究工作得到了國家自然科學基金委和中國科學院戰略先導研究項目的大力支持。