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Dual-metal-organic frameworks as ultrahigh-performance bifunctional electrocatalysts for oxygen reduction and oxygen evolution

过电位 双功能 催化作用 析氧 金属 金属有机骨架 密度泛函理论 化学 分解水 氧气 材料科学 氧化还原 化学工程 无机化学 物理化学 电化学 计算化学 有机化学 电极 光催化 吸附 工程类
作者
Xin Chen,Yahui Li,Manxi Leng
出处
期刊:Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects [Elsevier BV]
卷期号:644: 128882-128882 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.colsurfa.2022.128882
摘要

At present, it is significant to research bifunctional catalysts for metal-air batteries with bargain price, excellent stability, and satisfactory activity. Herein, by density functional theory, the performance of dual-metal-organic frameworks M 2 -BTC (M 2 = Ni 2 , Fe 2 , Co 2 , FeNi, CoNi, FeCo) as bifunctional electrocatalysts to catalyze oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is investigated. All M 2 -BTC are proved to possess satisfactory thermodynamical stability. For ORR, FeNi-Ni, Ni 2 -BTC, Co 2 -BTC, and CoNi-Ni are confirmed to have high activity with corresponding overpotential of 0.40, 0.25, 0.31, and 0.28 V, respectively, which are both better than Pt(111) ( η ORR = 0.45 V). For OER, Fe 2 -BTC, Ni 2 -BTC, Co 2 -BTC, and CoNi-Ni show excellent catalytic activity, with the overpotential of 0.42, 0.38, 0.22, and 0.31 V, respectively, which can be compared to RuO 2 (110) ( η OER = 0.37 V) or even better than it. According to the ORR/OER potential gap, Ni 2 -BTC, Co 2 -BTC, and CoNi-Ni are screened out to be ultrahigh-performance bifunctional electrocatalysts. The results of the highest occupied molecular orbital and the lowest unoccupied molecular orbital confirm that the metal atom is the main active site, and the O atoms attached to the active metal also participate in the reaction. Density of states analysis indicates that the different catalytic performance of M 2 -BTC is caused by the variety of electronic structures. • The catalytic activities of M 2 -BTC for ORR and OER are investigated by DFT. • All M 2 -BTC have been proved to have satisfactory thermodynamical stability. • Ni 2 -BTC, Co 2 -BTC, and CoNi-Ni are screened to have excellent bifunctional activity.
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