Spin‐State Engineering of Iron Phthalocyanine D‐Orbitals via Atomic Fe‐N 4 Coupling for Enhanced Oxygen Reduction Reaction

原子轨道 催化作用 自旋态 分子轨道 光化学 酞菁 化学物理 化学 分子 物理 无机化学 量子力学 有机化学 电子
作者
Ze Lv,Zheng Shu,Yang Qiu,Jiawei Luo,Kaibing Xu,Yimeng Ma,Linping Zhang,Hong Xu,Zhiping Mao
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (37): e10306-e10306 被引量:3
标识
DOI:10.1002/advs.202510306
摘要

Since the properties of electron transfer and orbital interactions in oxygen electrocatalysts are highly spin-dependent, reaction kinetics and thermodynamics are very sensitive to the spin configuration. However, understanding the spin-related origin of catalytic activity in heterogeneous molecular electrocatalysts still remains challenging. Herein, a molecular-atomic coupled catalyst is constructed by integrating iron phthalocyanine (FePc) molecules with Fe-N4 atomic sites anchored on nitrogen-doped carbon nanotubes (FePc-Fe-NCNT). The strong electronic coupling between FePc and the Fe-N4-containing carbon substrate triggers a transition of the Fe sites from a low-spin state to an intermediate-spin state. Additionally, the formation of σ* bonds between the electron-injected perpendicular dz2 orbitals of intermediate-spin Fe and the 2p orbitals of adsorbed oxygen species suppresses site blocking and accelerates OH* desorption, thereby enhancing the reaction kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR). The resulting catalyst exhibits exceptional ORR activity in alkaline media, reaching a half-wave potential of 0.89 V and negligible degradation after 10,000 cycles. Remarkably, the quasi-solid-state Zinc-air battery based on this prepared catalyst operates stably from -40 to 70 °C with minimal performance loss. This work reveals a spin-state manipulation strategy for the development of advanced molecular catalysts and provides new insights into the regulation of electronic structure for energy conversion technologies.
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