Heterocyclic Modulated Electronic States of Alkynyl‐Containing Conjugated Microporous Polymers for Efficient Oxygen Reduction

共轭微孔聚合物 催化作用 杂原子 共轭体系 材料科学 电化学 微型多孔材料 组合化学 碳化 聚合物 化学 纳米技术 有机化学 电极 物理化学 戒指(化学) 吸附
作者
Zijie Zhao,Binbin Wang,Zhihu You,Qiankun Zhang,Weichen Song,Xiaojing Long
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (17) 被引量:26
标识
DOI:10.1002/smll.202207298
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) is a key process in green energy conversion technology. Heteroatom doping has been proven to be a prospective strategy to prepare metal-free carbon-based electrocatalysts, but such methods often suffer from uncontrollable catalyst frameworks and imprecise active sites. Herein, an organic heterocyclic strategy is adopted to modulate the charge redistribution of alkynyl-containing conjugated microporous polymers (CMPs) by introducing varied five-membered heterocyclic structures. Among these CMPs, the S, 2N-containing thiadiazole heterocyclic molecule (CMP-Tdz) with carbonized alginate materials (CCA ) displays a remarkable quasi-four-electron-transfer ORR pathway, exhibiting an excellent half-wave potential (E1/2 ) of 0.77 V, coupled with superior methanol tolerance and electrochemical stability, which are among the highest performance in the metal-free organic catalytic material systems. Density functional theory calculations prove that the high catalytic performance of these catalysts originates from the sp-hybridized C atom (site-2) which is activated by their adjacent heterocyclic structures. Importantly, the five-membered heterocyclic structures can also modulate the local charge distribution, and increase dipole moment, with significantly improved catalytic kinetics. This incorporation of chemically designed heterocyclic-containing alkynyl-CMPs provides a new approach to developing efficient metal-free carbon-based electrocatalysts for fuel cells.

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