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Bifunctional Electrocatalytic Activity of Two-Dimensional Metallophthalocyanine-Based Metal–Organic-Frameworks for Overall Water Splitting: A DFT Study

双功能 过电位 电催化剂 析氧 分解水 催化作用 电子转移 化学 金属有机骨架 过渡金属 材料科学 化学工程 无机化学 物理化学 电化学 电极 光催化 有机化学 吸附 工程类
作者
Priya Das,Biswajit Ball,Pranab Sarkar
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (24): 16307-16317 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03967
摘要

The design of efficient, low-cost, and easily integrable bifunctional electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) is highly desirable for future renewable energy systems. By employing density functional theory (DFT)-based computations, we have investigated the catalytic activity of three transition metal (TM)-based two-dimensional (2D) metal–organic frameworks (MOFs), namely, TMPc_Cu_O MOFs (TM = Fe, Co, and Ni) for overall water splitting in the presence of a mixed (implicit + explicit) solvation model. These 2D TMPc_Cu_O MOFs (TM = Fe, Co, and Ni) are thermodynamically and electrochemically stable. Our calculations reveal that among these MOFs, CoPc_Cu_O MOF is the most efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting with low HER/OER overpotentials of 0.11/0.65 V. We have further calculated the proton-coupled electron transfer (PCET) barrier for the potential-determining step (PDS) of HER/OER for CoPc_Cu_O MOF. Our finding on the PCET barrier for the HER and OER processes is that both the PDSs of HER/OER exhibit a surmountable barrier of 0.87/0.82 eV, suggesting facile kinetics. Therefore, based on the performance of CoPc_Cu_O MOF toward both HER and OER in terms of calculated overpotential and PCET barrier, we can conclude that CoPc_Cu_O MOF may be a potential bifunctional electrocatalyst toward overall water splitting.
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