Tuning axial ligand coordination for enhanced activity and selectivity in metal–nitrogen–carbon single-atom catalysts for the oxygen reduction reaction

选择性 配体(生物化学) 催化作用 化学 合理设计 氧还原反应 组合化学 氧气 金属 过渡金属 立体化学 内在活性 氧还原 活动站点 变构调节 能量学 还原(数学) 反应机理 活化能
作者
H.T. Wang,Mingjie Liu
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:163 (14) 被引量:5
标识
DOI:10.1063/5.0288918
摘要

Axial ligand coordination plays a critical role in modulating the catalytic activity and selectivity of metal-nitrogen-carbon (M-N-C) single-atom catalysts (SACs) for the oxygen reduction reaction (ORR). In this study, we systematically investigate FeN4, CoN4, and NiN4 active sites coordinated with a broad range of axial ligands to elucidate how ligand environments influence reaction energetics across different metal centers. Free energy analyses reveal that axial ligands can substantially modify key steps in the ORR pathway, including *OOH formation and *OH desorption, with distinct effects observed for each metal. FeN4 exhibits tunable activity and selectivity depending on the ligand, balancing between 4e- and 2e- pathways. CoN4 shows a pronounced preference toward the 2e- pathway under specific ligand environments, highlighting its potential for selective H2O2 production. In contrast, NiN4 displays generally high energy barriers and limited ORR activity across all axial ligands. These results establish a comparative framework for understanding how axial ligand coordination governs ORR performance and provide guidance for the rational design of M-N-C SACs with tailored activity and selectivity.
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