Interface engineering of transition metal-nitrogen-carbon by graphdiyne for boosting the oxygen reduction/evolution reactions: A computational study

双功能 催化作用 电催化剂 析氧 化学 过渡金属 碳纤维 化学工程 无机化学 材料科学 物理化学 电极 电化学 有机化学 复合数 工程类 复合材料
作者
Tingyu Yan,Xinyi Li,Zhongxu Wang,Qinghai Cai,Jingxiang Zhao
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:649: 1-9 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.06.066
摘要

Exploring high-efficiency electrocatalysts to boost the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is pivotal to the large-scale applications for clean and renewable energy technologies, such as fuel cells, water splitting, and metal-air batteries. Herein, by means of density functional theory (DFT) computations, we proposed a strategy to modulate the catalytic activity of transition metal-nitrogen-carbon catalysts through their interface engineering with graphdiyne (TMNC/GDY). Our results revealed that these hybrid structures exhibit good stability and excellent electrical conductivity. Especially, CoNC/GDY was identified as a promising bifunctional catalyst for ORR/OER with rather low overpotentials in acidic conditions according to the constant-potential energy analysis. Moreover, the volcano plots were established to describe the activity trend of the ORR/OER on TMNC/GDY using the adsorption strength of the oxygenated intermediates. Remarkably, the d-band center and charge transfer of the TM active sites can be utilized to correlate the ORR/OER catalytic activity and their electronic properties. Our findings not only suggested an ideal bifunctional oxygen electrocatalyst, but also provided a useful strategy to obtain highly efficient catalysts by interface engineering of two-dimensional heterostructures.
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