DFT Study of the Oxygen Reduction Reaction on Carbon-Coated Iron and Iron Carbide

氧气 催化作用 碳化物 氧还原反应 碳纤维 化学 直接还原铁 材料科学 化学工程 无机化学 物理化学 复合材料 复合数 有机化学 电化学 电极 工程类
作者
Mateusz Reda,Heine Anton Hansen,Tejs Vegge
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (11): 10521-10529 被引量:66
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b02167
摘要

Iron carbide encapsulated in graphitic layers has recently been recognized as an active oxygen reduction reaction (ORR) catalyst made of earth-abundant elements. Here, the ORR activity of graphene (G) and N-doped graphene (NG) supported on Fe 3 C(010) and Fe(110) is studied computationally by means of density functional theory calculations. The calculations show higher activity of the Fe 3 C-supported model system than the Fe-supported one, as well as the importance of N-doping in achieving high ORR activity, in agreement with experimental observations. We find the most active sites on a single N-doped graphitic layer placed on the Fe 3 C surface. Like in the case of unsupported NG, the reaction on the Fe 3 C/NG model interface proceeds at the atomic oxygen coverage between 0.5 < θ O < 1.0. The charge on O adsorbate caused by the presence of support is found to correlate with the oxygen binding strength. In the case of the Fe/NG system, this results in a surface poisoning by oxygen. On the basis of these findings, we propose that a heterostructure consisting of a NG overlayer and a support with stronger electron-donating properties than Fe 3 C and weaker than Fe may approach or even exceed the ORR activity of the Pt(111) surface.
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