Self-Adjusting Activity Induced by Intrinsic Reaction Intermediate in Fe–N–C Single-Atom Catalysts

化学 催化作用 部分 活动站点 反应中间体 Atom(片上系统) 氧原子 反应机理 联想代换 活动中心 立体化学 计算化学 结晶学 分子 有机化学 嵌入式系统 计算机科学
作者
Yu Wang,Yawei Tang,Kun Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (36): 14115-14119 被引量:265
标识
DOI:10.1021/jacs.9b07712
摘要

Fe-N-C single-atom catalysts (SACs) exhibit high activity for oxygen reduction reaction (ORR). However, it remains controversial how the active center mediates catalysis, and the predicted potential deviates from experimental results, hindering development of ideal SACs. Here, using first-principles calculations, we present a microkinetic model for ORR on Fe-N-C SACs, disclosing a self-adjusting mechanism induced by its intrinsic intermediate. The modeling results show that the single-atom Fe site of the FeN4 center of Fe-N-C is covered with an intermediate OH* from 0.28 to 1.00 V. Remarkably, such OH* becomes part of the active moiety, Fe(OH)N4, and can optimize intermediate bindings on the Fe site, exhibiting a theoretical half-wave potential of ∼0.88 V. Partial current density analysis reveals the dominating associative path over the dissociative ones. In addition, ORR on Mn-N-C and Co-N-C SACs is unveiled. This work demonstrates the necessity of assessing the effect of intrinsic intermediates in single-atom catalysis and provides practical guidance for rational design of high-performance SACs.
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