Two-dimensional metal–organic frameworks as bifunctional electrocatalysts for the oxygen evolution reaction and oxygen reduction reaction (OER/ORR): a theoretical study

过电位 双功能 析氧 催化作用 化学 电催化剂 双功能催化剂 无机化学 金属 吸附 化学工程 物理化学 电化学 有机化学 电极 工程类
作者
Feifei Xu,Zhixiao Gao,Zhencui Ge,Hongrui Ma,Hao Ren,Houyu Zhu,Yuhua Chi,Wei Guo,Wen Zhang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (26): 17508-17514 被引量:2
标识
DOI:10.1039/d3cp01193c
摘要

Effective bifunctional catalysts are needed for the two main processes in metal-air batteries (oxygen evolution reaction and oxygen reduction reaction (OER/ORR)) to increase efficiency. Herein, we systematically investigate the stability, electronic structure, and catalytic performance of the OER/ORR of two-dimensional (2D) conducting metal-organic frameworks (MOFs) M3(C6Se6)2 (M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ir, and Pt) by first-principles calculations. The results show that Co3(C6Se6)2 has an overpotential of 0.51 V and 0.3 V for the OER and ORR, respectively, and Rh3(C6Se6)2 has an overpotential of 0.53 V and 0.29 V for the OER and ORR, respectively, which are very promising bifunctional catalysts. In addition, Ir3(C6Se6)2 is a very promising ORR catalyst with a low overpotential of 0.34 V. Volcano plots and contour maps of OER/ORR activity versus intermediate adsorption strength were established to describe the activity trend of M3(C6Se6)2 based on the relationship of adsorbed intermediates. Furthermore, the d-band center theory and crystal orbital Hamilton populations (COHPs) were used to relate the OER/ORR activity to the d-electrons of the central metal. Our study not only provides a novel bifunctional electrocatalyst but also provides some references for other 2D MOFs as electrocatalysts.
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