A DFT Study of Oxygen Reduction Reaction (ORR) on the 2D P‐Doped Graphitic C 3 N 4 Metal‐Free Catalyst

氧还原反应 催化作用 兴奋剂 氧还原 金属 氧气 化学 材料科学 物理化学 电化学 光电子学 有机化学 电极
作者
Mina Shahdust,Mehdi D. Esrafili,Morteza Vahedpour
出处
期刊:ChemistrySelect [Wiley]
卷期号:10 (18) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/slct.202405852
摘要

Abstract An important and inhibiting issue about fuel cells is related to the slow kinetics of oxygen reduction reaction (ORR) in the cathode electrode. In this research using density functional theory (DFT) calculations, the phosphorus‐doped graphitic C 3 N 4 nanosheet (PC@C 3 N 4 ) is used as a metal‐free electrocatalyst for the ORR. Phosphorus doping on the surface of graphitic C 3 N 4 increases the probability of O 2 adsorption on the substrate and subsequently improves its electrocatalytic activity. Also, reaction pathways and optimal reaction mechanisms are determined. Our results show that PC@C 3 N 4 exhibits outstanding catalytic activity towards oxygen reduction through a four‐electron pathway. The free energy diagram shows that all the steps for the dissociation and hydrogenation of oxygen molecules are exothermic at potentials of <0.26 V. The results presented in this paper can provide a better insight into the process of the ORR mechanism on the heteroatom‐doped nanosheets and pave the way for the fabrication of low‐cost materials with high electrocatalytic activity in fuel cell cathodes.
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