下一代能源转化材料需要发展能够进行化学能-电能高效率转化的方法和材料，其中一种新型方法包括在分子催化剂上安装原子精确的携带静电电荷的结构，因此实现稳定高能量电荷中间体。比如铁卟啉结构分子催化剂上安装四个正电荷基团(o-[N(CH₃)₃]⁺)，被人们发现能够实现在较低的过电势条件中进行多步骤催化，而且实现较高的反应速率，比如O₂还原、CO₂还原。这种高催化反应活性的部分原因在于安装的o-[N(CH₃)₃]⁺基团与反应物之间的电荷相互作用。但是该分子中存在四种不同阻转异构体结构，因此能够在催化反应中形成四种不同的静电催化反应环境。有鉴于此，耶鲁大学James M. Mayer等报道分别对四种异构体分子在催化ORR、CO₂RR反应进行研究，发现四种异构体都能够在较低的过电势条件实现快速催化转化。同时位阻异构分子的催化反应TOF相互不同，其中ORR、CO₂RR反应的差距最高能达到60倍、5倍。

本文要点：

（1）

在ORR催化反应中，αβαβ异构体催化剂具有最高的催化反应速率和最高的过电势，但是在CO₂RR催化反应中，αααα异构体催化剂的催化反应速率最高和最高的过电势。

（2）

这种电荷位置对催化反应的影响非常复杂，比如能够影响CO₂RR反应中多个步骤的反应，本文相关研究首次为电荷位置对催化反应性质的影响提供相关经验，展示了提高电荷浓度在多步电化学催化反应中对热力学、动力学影响。

参考文献

Daniel J. Martin and James M. Mayer*, Oriented Electrostatic Effects on O₂ and CO₂ Reduction by a Polycationic Iron Porphyrin, J. Am. Chem. Soc. 2021

DOI: 10.1021/jacs.1c03132

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c03132