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Boosting Electrochemical Oxygen Reduction Performance of Iron Phthalocyanine through Axial Coordination Sphere Interaction

催化作用 酞菁 电化学 密度泛函理论 氧气 吸附 配体(生物化学) X射线光电子能谱 光化学 化学 化学工程 物理化学 电极 计算化学 有机化学 工程类 受体 生物化学
作者
Wenlin Zhang,Eva J. Meeus,Lei Wang,Lu‐Hua Zhang,Shuangcheng Yang,Bas de Bruin,Joost N. H. Reek,Fengshou Yu
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:15 (3) 被引量:45
标识
DOI:10.1002/cssc.202102379
摘要

Precise regulation of the electronic states of catalytic sites through molecular engineering is highly desired to boost catalytic performance. Herein, a facile strategy was developed to synthesize efficient oxygen reduction reaction (ORR) catalysts, based on mononuclear iron phthalocyanine supported on commercially available multi-walled carbon nanotubes that contain electron-donating functional groups (FePc/CNT-R, with "R" being -NH2 , -OH, or -COOH). These functional groups acted as axial ligands that coordinated to the Fe site, confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and synchrotron-radiation-based X-ray absorption fine structure. Experimental results showed that FePc/CNT-NH2 , with the most electron-donating -NH2 axial ligand, exhibited the highest ORR activity with a positive onset potential (Eonset =1.0 V vs. reversible hydrogen electrode) and half-wave potential (E1/2 =0.92 V). This was better than the state-of-the-art Pt/C catalyst (Eonset =1.00 V and E1/2 =0.85 V) under the same conditions. Overall, the functionalized FePc/CNT-R assemblies showed enhanced ORR performance in comparison to the non-functionalized FePc/CNT assembly. The origin of this behavior was investigated using density functional theory calculations, which demonstrated that the coordination of electron-donating groups to FePc facilitated the adsorption and activation of oxygen. This study not only demonstrates a series of advanced ORR electrocatalysts, but also introduces a feasible strategy for the rational design of highly active electrocatalysts for other proton-coupled electron transfer reactions.
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