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Revealing the Potential-Dependent Rate-Determining Step of Oxygen Reduction Reaction on Single-Atom Catalysts

化学 催化作用 氧还原反应 还原(数学) Atom(片上系统) 氧原子 氧气 光化学 计算化学 物理化学 有机化学 分子 电化学 几何学 数学 电极 计算机科学 嵌入式系统
作者
Huimin Yan,Gang Wang,X. C. Lv,Hao Cao,Gangqiang Qin,Yang‐Gang Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c16098
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have attracted widespread attention due to their potential to replace platinum-based catalysts in achieving efficient oxygen reduction reaction (ORR), yet the rational optimization of SACs remains challenging due to their elusive reaction mechanisms. Herein, by employing ab initio molecular dynamics simulations and a thermodynamic integration method, we have constructed the potential-dependent free energetics of ORR on a single iron atom catalyst dispersed on nitrogen-doped graphene (Fe-N4/C) and further integrated these parameters into a microkinetic model. We demonstrate that the rate-determining step (RDS) of the ORR on SACs is potential-dependent rather than invariant within the operative potential range. Specifically, under the charge-neutral condition, the RDS is calculated to be water desorption with the highest barrier, while as the potential increases, it gradually transitions to the protonation of *OH species, O2* species, and O* species, regardless of the protonation of *OH species as the potential-determining step. Moreover, we reveal the critical role of the dynamic adsorption of axially adsorbed water in facilitating the release of the single-atom site, thus enhancing the ORR rate. Our work has resolved the long-standing controversies over the RDS of ORR on SACs and implies that the step with the lowest exothermicity is not always synonymous with the RDS, highlighting the importance of examining the kinetic barriers under realistic potential conditions for understanding the electrocatalytic performance.
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