Single-Atom Doped Fullerene (MN4–C54) as Bifunctional Catalysts for the Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reactions

双功能 氧气 催化作用 兴奋剂 析氧 富勒烯 氧还原反应 氧原子 氧还原 无机化学 Atom(片上系统) 材料科学 化学 物理化学 电化学 分子 有机化学 光电子学 电极 计算机科学 嵌入式系统
作者
Junkai Xu,Yunhao Wang,Xiaoxue Yu,Jianjun Fang,Xian-Fang Yue,Breno R. L. Galvão,Jing Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:128 (42): 9167-9174 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.4c03413
摘要

Development of high-performance oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is crucial to realizing the electrolytic water cycle. C60 is an ideal substrate material for single atom catalysts (SACs) due to its unique electron-withdrawing properties and spherical structure. In this work, we screened for a novel single-atom catalyst based on C60, which anchored transition metal atoms in the C60 molecule by coordination with N atoms. Through first-principles calculations, we evaluated the stability and activity of MN4–C54 (M = Fe, Co, Ni, Cu, Rh, Ru, Pd, Ag, Pt, Ir, Au). The results indicate that CuN4–C54, which is based only on earth-abundant elements, exhibited low overpotentials of 0.46 and 0.47 V for the OER and ORR, respectively, and was considered a promising bifunctional catalyst, showing better performance than the noble-metal ones. In addition, according to the linear relationship of intermediates, we established volcano plots to describe the activity trends of the OER and ORR on MN4–C54. Finally, d-band center and crystal orbital Hamiltonian populations methods were used to explain the catalytic origin. Suitable d-band centers lead to moderate adsorption strength, further leading to good catalytic performances.
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