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Acidic and Alkaline pH Controlled Oxygen Reduction Reaction Pathway over Co‐N4C Catalyst

催化作用 氧还原反应 氧气 化学 无机化学 氧还原 电化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Bikash Mahapatra,Pranjit Barman,D. Panigrahi,Sachin Kochrekar,Bappi Paul,Abhishek Panghal,Anil Kumar U.,Vishal M. Dhavale,Mukul Gupta,Deepak Kumar,Vijay Kumar,Santosh K. Singh
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (11): e2405530-e2405530 被引量:5
标识
DOI:10.1002/smll.202405530
摘要

Enhanced oxygen reduction reaction (ORR) kinetics and selectivity are crucial to advance energy technologies like fuel cells and metal-air batteries. Single-atom catalysts (SACs) with M-N4/C structure have been recognized to be highly effective for ORR. However, the lack of a comprehensive understanding of the mechanistic differences in the activity under acidic and alkaline environments is limiting the full potential of the energy devices. Here, a porous SAC is synthesized where a cobalt atom is coordinated with doped nitrogen in a graphene framework (pCo-N4C). The resulting pCo-N4C catalyst demonstrates a direct 4e- ORR process and exhibits kinetics comparable to the state-of-the-art (Pt/C) catalyst. Its higher activity in an acidic electrolyte is attributed to the tuned porosity-induced hydrophobicity. However, the pCo-N4C catalyst displays a difference in ORR activity in 0.1 m HClO4 and 0.1 m KOH, with onset potentials of 0.82 V and 0.91 V versus RHE, respectively. This notable activity difference in acidic and alkaline media is due to the protonation of coordinated nitrogen, restricted proton coupled electron transfer (PCET) at the electrode/electrolyte interface. The effect of pH over the catalytic activity is further verified by Ab-initio molecular dynamics (AIMD) simulations using density functional theory (DFT) calculations.
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