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Exploring the catalytic activity of graphene-based TM-NxC4-xsingle atom catalysts for the oxygen reduction reactionviadensity functional theory calculation

催化作用 密度泛函理论 氧还原反应 过电位 石墨烯 过渡金属 化学 材料科学 计算化学 无机化学 物理化学 结晶学 纳米技术 有机化学 电化学 电极
作者
Zhengwei Du,Kaiming Deng,Erjun Kan,Cheng Zhan
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (20): 13913-13922 被引量:13
标识
DOI:10.1039/d3cp01168b
摘要

Electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) are extremely crucial for advanced energy conversion technologies, such as fuel cell batteries. A promising ORR catalyst usually should have low overpotentials, rich catalytic sites and low cost. In the past decade, single-atom catalyst (SAC) TM-N4 (TM = Fe, Co, etc.) embedded graphene matrixes have been widely studied for their promising performance and low cost for ORR catalysis, but the effect of coordination on the ORR activity is not fully understood. In this work, we will employ density functional theory (DFT) calculations to systematically investigate the ORR activity of 40 different 3d transition metal single-atom catalysts (SACs) supported on nitrogen-doped graphene supports, ranging from vanadium to zinc. Five different nitrogen coordination configurations (TM-NxC4-x with x = 0, 1, 2, 3, and 4) were studied to reveal how C/N substitution affects the ORR activity. By looking at the stability, free energy diagram, overpotential, and scaling relationship, our calculation showed that partial C substitution can effectively improve the ORR performance of Mn, Co, Ni, and Zn-based SACs. The volcano plot obtained from the scaling relationship indicated that the substitution of N by C could distinctively affect the potential-limiting step in the ORR, which leads to the enhanced or weakened ORR performance. Density of states and d-band center analysis suggested that this coordination-tuned ORR activity can be explained by the shift of the d-band center due to the coordination effect. Finally, four candidates with optimal ORR activity and dynamic stability were proposed from the pool: NiC4, CoNC3, CrN4, and ZnN3C. Our work provides a feasible designing strategy to improve the ORR activity of graphene-based TM-N4 SACs by tuning the coordination environment, which may have potential implication in the high-performance fuel cell development.
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