Probing the active sites of site-specific nitrogen doping in metal-free graphdiyne for electrochemical oxygen reduction reactions

电化学 催化作用 离解(化学) 氧气 金属 氮气 化学 密度泛函理论 兴奋剂 活动站点 反应机理 吸附 无机化学 材料科学 电极 物理化学 计算化学 有机化学 光电子学
作者
Xingzhu Chen,Wee‐Jun Ong,Zhouzhou Kong,Xiujian Zhao,Neng Li
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:65 (1): 45-54 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.scib.2019.10.016
摘要

The development of highly active and low-cost catalysts for electrochemical reactions is one of the most attractive topics in the renewable energy technology. Herein, the site-specific nitrogen doping of graphdiyne (GDY) including grap-N, sp-N(I) and sp-N(II) GDY is systematically investigated as metal-free oxygen reduction electrocatalysts via density functional theory (DFT). Our results indicate that the doped nitrogen atom can significantly improve the oxygen (O2) adsorption activity of GDY through activating its neighboring carbon atoms. The free-energy landscape is employed to describe the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) in both O2 dissociation and association mechanisms. It is revealed that the association mechanism can provide higher ORR onset potential than dissociation mechanism on most of the substrates. Especially, sp-N(II) GDY exhibits the highest ORR electrocatalytic activity through increasing the theoretical onset potential to 0.76 V. This work provides an atomic-level insight for the electrochemical ORR mechanism on metal-free N-doped GDY.
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