Edge-doped substituents as an emerging atomic-level strategy for enhancing M–N4–C single-atom catalysts in electrocatalysis of the ORR, OER, and HER

电催化剂 催化作用 兴奋剂 Atom(片上系统) GSM演进的增强数据速率 化学 材料科学 纳米技术 物理化学 光电子学 计算机科学 电化学 电极 有机化学 电信 嵌入式系统
作者
Liang Xie,Wei Zhou,Zhibin Qu,Yuming Huang,Longhao Li,Chaowei Yang,Junfeng Li,Xiaoxiao Meng,Fei Sun,Jihui Gao,Guangbo Zhao
出处
期刊:Nanoscale horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (2): 322-335 被引量:19
标识
DOI:10.1039/d4nh00424h
摘要

M-N4-C single-atom catalysts (MN4) have gained attention for their efficient use at the atomic level and adjustable properties in electrocatalytic reactions like the ORR, OER, and HER. Yet, understanding MN4's activity origin and enhancing its performance remains challenging. Edge-doped substituents profoundly affect MN4's activity, explored in this study by investigating their interaction with MN4 metal centers in ORR/OER/HER catalysis (Sub@MN4, Sub = B, N, O, S, CH3, NO2, NH2, OCH3, SO4; M = Fe, Co, Ni, Cu). The results show overpotential variations (0 V to 1.82 V) based on Sub and metal centers. S and SO4 groups optimize FeN4 for peak ORR activity (overpotential at 0.48 V) and reduce OER overpotentials for NiN4 (0.48 V and 0.44 V). N significantly reduces FeN4's HER overpotential (0.09 V). Correlation analysis highlights the metal center's key role, with ΔG*H and ΔG*OOH showing mutual predictability (R2 = 0.92). Eg proves a reliable predictor for Sub@CoN4G*OOHG*H, R2 = 0.96 and 0.72). Machine learning with the KNN model aids catalyst performance prediction (R2 = 0.955 and 0.943 for ΔG*OOHG*H), emphasizing M-O/M-H and the d band center as crucial factors. This study elucidates edge-doped substituents' pivotal role in MN4 activity modulation, offering insights for electrocatalyst design and optimization.
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