Graphdiyne doped with sp -hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites as potential metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction

催化作用 氧还原反应 氮气 氧气 碳纤维 金属 化学 兴奋剂 无机化学 材料科学 物理化学 电化学 电极 有机化学 复合数 复合材料 光电子学
作者
Zhen Feng,Yaqiang Ma,Yi Li,Renyi Li,Jing Liu,Huiting Li,Yanan Tang,Xianqi Dai
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
卷期号:31 (46): 465201-465201 被引量:15
标识
DOI:10.1088/1361-648x/ab3350
摘要

Abstract Exploring metal-free electrocatalysts with high efficiency and lower cost for oxygen reduction reaction (ORR) is necessary to realize the commercialization of fuel cells. In this paper, the ORR mechanisms on nitrogen-doped graphdiyne (GDY) are investigated using the first principles calculations. It is found that the GDY doped with sp -hybridized N at acetylenic sites can activate molecular oxygen (O 2 ). The kinetically most favorable reaction pathway is O 2 → OOH → O + H 2 O → OH → H 2 O, which is an efficient four-electron ORR process. The first reaction step O 2 → OOH is the rate determining step (RDS), and the energy barrier is 0.61 eV. The energy barrier of RDS is smaller than that of pure Pt (0.80 eV). Therefore, these results illustrate that sp -hybridized N-doped GDY is a promising carbon-based metal-free ORR catalyst.

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