Tailoring OER/ORR activity in TM1N4 catalysts through first-/second-shell nitrogen doping: a density functional theory investigation

密度泛函理论 兴奋剂 催化作用 氮气 材料科学 壳体(结构) 化学 化学工程 纳米技术 计算化学 生物化学 有机化学 光电子学 复合材料 工程类
作者
Qingqing Cai,Wenmei Wuxia,Huanhuan Li,Can Li,Yinyan Gong,Leng Yuan Niu,Tuo Wang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (13): 6563-6569 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d4cp04283b
摘要

Proposing an effective modification strategy to optimize catalyst reaction potentials is crucial for enhancing catalytic performance. In this study, we employed a combined approach by adjusting nitrogen dopants in the first- and second-shell environments to tailor the OER/ORR reaction potentials of Fe1N4, Co1N4, and Ni1N4 active centers. Using density functional theory simulations, we systematically compared the effects of first- and second-shell nitrogen dopants on the local atomic/electronic structures and catalytic activities. The results showed that first-shell nitrogen dopants had a dominant influence on the reaction potentials, while second-shell dopants provided fine-tuning adjustments. This combined regulation of nitrogen dopants in both shells significantly lowered the overpotentials for the OER and ORR, enhancing the overall catalytic performance. Specifically, N3-doped Fe1-pyrrole N4 and N2-doped Fe1-pyridine N4 active centers demonstrated the lowest overpotentials of 209 mV for the OER and 196 mV for the ORR, respectively. This strategy offers a promising pathway for designing more efficient catalysts.
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