电子传递在决定能量器件的能量转换效率方面起着重要作用。氮配位单金属中心（M-N₄）材料作为电催化剂在器件方面显示出巨大的潜力。然而，如何定向地操纵M-N₄催化剂中的电子转移以获得更高的效率仍然是一个很大的困难。

近日，中科大吴长征教授在经典FePc分子/碳模型的基础上，发现了衬底和Fe−N₄位点之间的界面电子转移机制。因此，通过界面能级匹配策略操纵定向电子转移路径成为现实。

文章要点

1）将4-硝基邻苯二甲腈碎片与尿素、FeCl₂和(NH₄)₂MoO₄混合，然后在200 ℃的Ar气氛下进行反应。然后，对粗品进行洗涤和干燥，得到FePc-β-NO₂分子(−NO₂取代在FePc苯环上的β-位)。此外，通过FePc分子与凯金黑(KJ)碳底物(π−π=4.26)之间的Φ相互作用组装了经典的FePc分子/碳模型，并作为电催化剂。通过这种方法，将分子锚定在KJ的孔壁上，分别命名为FePc-β-NO₂-KJ、FePc-KJ和FePc-α-NO₂-KJ。

2）ARPES和XAS分析表明，只需在FePc中引入−NO₂，就可以降低分子能级，使界面电子从碳转移到分子中，从而使Fe−N₄位点具有较快的电子供应能力和较强的Fe−N键。

3）这种FePc-β-NO₂/碳催化剂（FePc-β-NO₂-KJ）具有出色的ORR反应活性（具有0.93 V的波电位）和稳定性（20000 cv循环），并表现出超高的锌-空气电池性能，打破了分子催化剂的应用限制。

能级工程为定向操纵电子转移提供了一种通用的方法，为设计高效稳定的M-N₄电催化剂提供了新的思路。

参考文献

Yang Wang, et al, Directional Manipulation of Electron Transfer by Energy Level Engineering for Efficient Cathodic Oxygen Reduction, Nano Lett., 2022

DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01933

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01933