Linkage Microenvironment and Oxygen Electroreduction Reaction Performance Correlationship of Iron Phthalocyanine‐based Polymers

电子顺磁共振 离域电子 化学 酞菁 催化作用 电化学 密度泛函理论 光化学 材料科学 物理化学 计算化学 核磁共振 电极 物理 有机化学
作者
Mingtao Huang,Qiao Gu,Yonggan Wu,Yuanhao Wei,Yukui Pei,Ting Hu,Dirk Lützenkirchen−Hecht,Kai Yuan,Yiwang Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202501506
摘要

Iron phthalocyanine‐based conjugated polymers (PFePc) offer well‐defined sites, rendering them ideal model systems to elucidate structure‐property relationships towards oxygen reduction reaction (ORR), but have struggled to achieve improved catalytic activity due to uniform electron distribution of iron center and difficulty in molecular‐level structure design. Although rationally linkage microenvironmental regulation is an effective approach to adjusting activity, the underlying fundamental mechanism is incompletely understood. Herein, systematic DFT calculations and experimental investigation of PFePc analogous reveal that the incorporation of the electron‐withdrawing benzophenone linkage into the PFePc backbone (PFePc‐3) drives the delocalization of Fe d‐orbital electrons, downshifts the d‐band energy level, thereby tailoring the key OH* intermediate interaction, demonstrating enhanced ORR performance with a half‐wave potential of 0.91 V, a high mass activity of 21.43 A g‐1, and a high turnover frequency of 2.18 e s−1 site−1. Magnetic susceptibility measurements and electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal that linkage regulation can induce a 3d electron with high spin‐state (t2g3eg2) of PFePc‐3, significantly accelerating the ORR kinetics. In‐situ scanning electrochemical microscopy and variable‐frequency square wave voltammetry further highlight the rapid kinetics of PFePc‐3 to the high accessible site density (6.14×1019 site g‐1) and fast electron outbound propagation mechanism.
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