Donor-π-acceptor cobalt porphyrins for electrocatalytic oxygen reduction reaction in acidic medium

取代基 化学 密度泛函理论 接受者 催化作用 无机化学 三苯胺 电催化剂 卟啉 电化学 光化学 电极 计算化学 有机化学 物理化学 物理 凝聚态物理
作者
Yan Chen,Long Zhao,Rui Yuan,Zhaoli Xue,Aijian Wang,Hui Xu,Ming Cheng,Haijun Xu,Jianming Zhang
出处
期刊:Journal of Alloys and Compounds [Elsevier BV]
卷期号:902: 163790-163790 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jallcom.2022.163790
摘要

Donor-π bridge-acceptor (D-π-A) design principle has been widely employed to build functionalized materials with excellent optical properties, whereas its feasibility in electrocatalytic reactions is seldom investigated. We demonstrate the primary study of D-π-A rule in constructing electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) purpose by rationally designing three cobalt porphyrins EGZ1–3 with 9H-carbazole, triphenylamine and N,N-diphenyl-[1,1′-biphenyl]-4-amine as the donor substituents, respectively, cobalt porphyrin as the π bridge, and cyanoacrylic acid as the acceptor unit. The electronic properties of the molecules are calculated using the density functional theory and the composite catalysts EGZs/C are characterized by a series of spectroscopic approaches. The electrochemical measurements show that EGZ3/C attains a more positive reduction potential and a greater response current density than EGZ1/C and EGZ2/C, which is possibly due to the optimized electronic structure and the substituent effect. The electron transfer number as well as hydrogen peroxide generation yield values suggest slightly better selectivity of EGZ3/C and EGZ2/C than those of EGZ1/C (i.e., ~ 2.9, ~ 2.9 vs. ~ 2.7 and ~ 54%, ~ 53% vs. ~ 62%, respectively) towards full oxygen reduction. Our result reveals the feasibility of the D-π-A design rule and the importance of molecular electronic state and the substituent feature in constructing ORR electrocatalysts. • Three donor-π-acceptor cobalt porphyrins are synthesized. • The electronic structure of porphyrins is calculated by density functional theory. • Porphyrin-carbon black composites are studied in oxygen reduction reaction. • The electrocatalyst EGZ3/C attains the best ORR performance. • Both electronic structure and substituents affect the electrocatalytic activity.
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