Unveiling the Composition-Dependent Catalytic Mechanism of Pt–Ni Alloys for Oxygen Reduction: A First-Principles Study

机制(生物学) 催化作用 作文(语言) 氧气 还原(数学) 氧还原 氧还原反应 材料科学 化学 化学工程 物理化学 物理 数学 工程类 哲学 几何学 有机化学 语言学 电化学 电极 量子力学
作者
Zhiyuan Xia,Xiangyu Zhu,Xing Chen,Yanan Zhou,Qiquan Luo,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (38): 9566-9574 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c02164
摘要

Unveiling the composition-dependent catalytic mechanism of Pt-based alloy cathodes for the oxygen reduction reaction (ORR) helps improve the proton exchange membrane fuel cells. Using density functional theory calculations, this study investigates the ORR catalytic performance of the Pt–Ni system with various compositions (1.00, ∼0.99, 0.75, 0.50, 0.25, ∼0.01, and 0.00). The ordered solid solution PtNi 3 (111) system shows activity comparable to Pt(111) and is cost-effective. The Ni 1 /Pt(111) system, featuring a single Ni atom on the Pt(111) surface as a surface single-atom alloy (SSAA), demonstrates the highest activity with an overpotential of only 0.28, which could be further reduced to 0.21 V by decreasing the surface Ni concentration to 1/16 monolayer coverage. The predicted high activity of Ni 1 /Pt(111) is confirmed when considering factors such as the implicit solution environment, constant potential conditions, and protonation capability. Moreover, surface-adsorbed oxygen species driven by reaction conditions stabilize these single Ni atoms of Ni 1 /Pt(111) by preventing segregation and dissolution processes, thereby exhibiting a dual functionality. This study reveals the composition dependence of Pt-based alloys and highlights the stability mechanisms of SSAA catalysts during the ORR.
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