Linker Mediated Electronic‐State Manipulation of Conjugated Organic Polymers Enabling Highly Efficient Oxygen Reduction

共轭体系 连接器 聚合物 催化作用 材料科学 组合化学 离域电子 噻吩 电化学 化学 纳米技术 光化学 有机化学 电极 物理化学 计算机科学 操作系统
作者
Rui Ma,Chenglong Tang,Yonglin Wang,Xiaoxue Xu,Mingjie Wu,Xun Cui,Yingkui Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202405594
摘要

Conjugated polymers with tailorable composition and microarchitecture are propitious for modulating catalytic properties and deciphering inherent structure-performance relationships. Herein, we report a facile linker engineering strategy to manipulate the electronic states of metallophthalocyanine conjugated polymers and uncover the vital role of organic linkers in facilitating electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR). Specifically, a set of cobalt phthalocyanine conjugated polymers (CoPc-CPs) wrapped onto carbon nanotubes (denoted CNTs@CoPc-CPs) are judiciously crafted via in situ assembling square-planar cobalt tetraaminophthalocyanine (CoPc(NH2)4) with different linear aromatic dialdehyde-based organic linkers in the presence of CNTs. Intriguingly, upon varying the electronic characteristic of organic linkers from terephthalaldehyde (TA) to 2,5-thiophenedicarboxaldehyde (TDA) and then to thieno/thiophene-2,5-dicarboxaldehyde (bTDA), their corresponding CNTs@CoPc-CPs exhibit gradually improved electrocatalytic ORR performance. More importantly, theoretical calculations reveal that the charge transfer from CoPc units to electron-withdrawing linkers (i.e., TDA and bTDA) drives the delocalization of Co d-orbital electrons, thereby downshifting the Co d-band energy level. Accordingly, the active Co centers with more positive valence state exhibit optimized binding energy toward ORR-relevant intermediates and thus a balanced adsorption/desorption pathway that endows significant enhancement in electrocatalytic ORR. This work demonstrates a molecular-level engineering route for rationally designing efficient polymer catalysts and gaining insightful understanding of electrocatalytic mechanisms.
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