Reaction Pathways for Oxygen Evolution Promoted by Cobalt Catalyst

化学 催化作用 钴 析氧 双生的 亲核细胞 氧气 立方烷 化学物理 过渡金属 光化学 分子 计算化学 无机化学 物理化学 立体化学 有机化学 电化学 电极
作者
Giuseppe Mattioli,Paolo Giannozzi,A. Amore Bonapasta,Leonardo Guidoni
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:135 (41): 15353-15363 被引量:252
标识
DOI:10.1021/ja401797v
摘要

The in-depth understanding of the molecular mechanisms regulating the water oxidation catalysis is of key relevance for the rationalization and the design of efficient oxygen evolution catalysts based on earth-abundant transition metals. Performing ab initio DFT+U molecular dynamics calculations of cluster models in explicit water solution, we provide insight into the pathways for oxygen evolution of a cobalt-based catalyst (CoCat). The fast motion of protons at the CoCat/water interface and the occurrence of cubane-like Co-oxo units at the catalyst boundaries are the keys to unlock the fast formation of O-O bonds. Along the resulting pathways, we identified the formation of Co(IV)-oxyl species as the driving ingredient for the activation of the catalytic mechanism, followed by their geminal coupling with O atoms coordinated by the same Co. Concurrent nucleophilic attack of water molecules coming directly from the water solution is discouraged by high activation barriers. The achieved results suggest also interesting similarities between the CoCat and the Mn4Ca-oxo oxygen evolving complex of photosystem II.

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