Oxygen reduction reaction mechanism on nitrogen-doped graphene: A density functional theory study

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作者
Liang Yu,Xiulian Pan,Xiaoming Cao,P. Hu,Xinhe Bao
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:282 (1): 183-190 被引量:605
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2011.06.015
摘要

Nitrogen-doped graphene (N-graphene) was reported to exhibit a good activity experimentally as an electrocatalyst of oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode of fuel cells under the condition of electropotential of ∼0.04 V (vs. NHE) and pH of 14. This material is promising to replace or partially replace the conventionally used Pt. In order to understand the experimental results, ORR catalyzed by N-graphene is studied using density functional theory (DFT) calculations under experimental conditions taking the solvent, surface adsorbates, and coverages into consideration. Two mechanisms, i.e., dissociative and associative mechanisms, over different N-doping configurations are investigated. The results show that N-graphene surface is covered by O with 1/6 monolayer, which is used for reactions in this work. The transition state of each elementary step was identified using four different approaches, which give rise to a similar chemistry. A full energy profile including all the reaction barriers shows that the associative mechanism is more energetically favored than the dissociative one and the removal of O species from the surface is the rate-determining step.
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