Establishing a theoretical insight for penta-coordinated iron-nitrogen-carbon catalysts toward oxygen reaction

催化作用 过电位 化学 配体(生物化学) 电负性 氧气 氮气 密度泛函理论 碳纤维 无机化学 物理化学 计算化学 材料科学 有机化学 复合材料 受体 复合数 生物化学 电化学 电极
作者
Ruihu Lu,Chenxi Quan,Chengyi Zhang,Qiu He,Xiaobin Liao,Zhaoyang Wang,Yan Zhao
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (7): 6067-6075 被引量:82
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4318-2
摘要

Developing highly active iron-nitrogen-carbon catalysts for electrocatalytic oxygen reduction reactions (ORR) is pivotal to future energy technology. The penta-coordinated Fe-N-C with an augmented activity toward the oxygen reduction has been regarded as one of the promising candidates to replace platinum-based ORR catalysts. However, the lack of pertinent fundamental understanding hinders further optimizing the catalytic activity of such catalysts. Herein, through density functional theory (DFT) calculations, we systematically investigated the catalytic activity and ligand/metal coordination effects of 17 penta-coordinated Fe-N-C catalysts (labeled as FeNC-Xs, X denotes axial ligand). Our results not only show the theoretical overpotential of FeNC-Xs is lower than that of conventional tetra-coordinated Fe-N-C catalysts (labeled as FeNC), verifying the preeminent performance of FeNC-Xs, but also further indicate that the axial coordination effect of X ligands can decrease the orbital hybridization of Fe active center with ORR-relevant intermediates, sequentially accelerating the ORR. More importantly, we reveal that the catalytic activity of FeNC-Xs increases with a decreased electronegativity of X ligands, which can be utilized to describe the axial coordination effect for FeNC-Xs. These findings can deeply advance the understanding of penta-coordinated iron-nitrogen-carbon catalysts, which provide timely guidelines for designing optimum Fe-N-C based catalysts.
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