Investigation on the demetallation of Fe-N-C for oxygen reduction reaction: The influence of structure and structural evolution of active site

化学 活动站点 分子动力学 氧还原反应 从头算 催化作用 氧气 密度泛函理论 反应机理 计算化学 物理化学 有机化学 电极 电化学
作者
Xinlong Xu,Xiaoming Zhang,Zhichong Kuang,Zhangxun Xia,Alexandre I. Rykov,Shansheng Yu,Junhu Wang,Suli Wang,Gongquan Sun
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:309: 121290-121290 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2022.121290
摘要

Iron-nitrogen-carbon (Fe-N-C) catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) are promising candidates in fuel cell devices but the poor stability remains a grave challenge. The elimination of demetallation is pivotal for extending the life but still incapable due to the ambiguous mechanism. Herein, we show that the structure of FeN4 site and its structural evolution during ORR has the significant influence. The end-of-test/in-situ Mössbauer spectroscopy and density functional theory study reveal that D1 mainly contributes to the ORR activity but suffers severe demetallation, which is likely due to the instability of FeN4C8. The faster demetallation during ORR, especially at higher potential, can be attributed to the weaker coordination of FeN4 induced by oxygenated intermediate and electric field according to ab initio molecular dynamics simulations. Finally, the binding energy of Fe-N bond is introduced to describe the influence of structure and structural evolution and give guidance to the improvement of stability.
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