Pd 4d Orbital Overlapping Modulation on Au@Pd Nanowires for Efficient H2O2 Production

过电位 化学 选择性 催化作用 纳米线 电催化剂 电解质 密度泛函理论 纳米技术 计算化学 物理化学 电极 电化学 有机化学 材料科学
作者
Zhiping Deng,Amir Hassan Bagherzadeh Mostaghimi,Mingxing Gong,Ning Chen,Samira Siahrostami,Xiaolei Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (4): 2816-2823 被引量:34
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13259
摘要

Isolating Pd atoms has been shown to be crucial for the design of a Pd-based electrocatalyst toward 2e- oxygen reduction reaction (ORR). However, there are limited studies focusing on the systematic compositional design that leads to an optimal balance between activity and selectivity. Herein, we design a series of Au@Pd core@shell structures to investigate the influence of the Pd 4d orbital overlapping degree on 2e- ORR performance. Density functional theory (DFT) calculations indicate that enhanced H2O2 selectivity and activity are achieved at Pdn clusters with n ≤ 3, and Pd clusters larger than Pd3 should be active for 4e- ORR. However, experimental results show that Au@Pd nanowires (NWs) with Pd4 as the primary structure exhibit the optimal H2O2 performance in an acidic electrolyte with a high mass activity (7.05 A mg-1 at 0.4 V) and H2O2 selectivity (nearly 95%). Thus, we report that Pd4, instead of Pd3, is the upper threshold of Pd cluster size for an ideal 2e- ORR. It results from the oxygen coverage on the catalyst surface during the ORR process, and such an oxygen coverage phenomenon causes electron redistribution and weakened *OOH binding strength on active sites, leading to enhanced activity of Pd4 with only 0.06 V overpotential in acidic media.
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