First-Principles Study of the Ligand Substituent Effect on ORR Catalysis by Metallocorroles

密度泛函理论 配体(生物化学) 药物化学 极性效应 电子效应 位阻效应 反应性(心理学) 计算化学
作者
Nagaprasad Reddy Samala,Chethana B. Krishnamurthy,Ilya Grinberg
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:124 (21): 11275-11283 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b11990
摘要

Metallocorroles (M-N-C) and especially Co-corroles are some of the best molecular catalyst alternatives to the expensive platinum-group metals (PGM) for oxygen reduction reaction (ORR) catalysis in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. In this work, we study the M-N-C corroles (M = Mn, Fe, Co) and the ligand (L) substitution (L-M-N-C, L = H, CH 3, CF 3, and imidazole) on the metal site as ORR catalysts based on the free energies of the *OOH, *O, and *OH ORR pathway intermediates. We also examine the influence of the basis set size, density functional theory exchange-correlation functional, and solvent environment on the calculated energies for the *OOH, *O, and *OH intermediates. We find that improved catalytic performance is expected in the ligand-substituted Mn-N-C that can be further fine-tuned by changing the nature of the ligand and the substituent group on the corrole. By contrast, the catalytic activity of the Co-corrole is decreased by the ligand substitution. The obtained ORR energetics are sensitive to basis set size, exchange-correlation functional, and solvent environment with the best agreement with the experiment obtained for large (6-311++G**) basis set, PBE functional, and gas-phase ORR intermediate calculations.

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