Orbital Dependence in Single-Atom Electrocatalytic Reactions

化学 Atom(片上系统) 材料科学 并行计算 计算机科学
作者
Yanan Wang,Yingzong Liang,Tao Bo,Sheng Meng,Miao Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (25): 5969-5976 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c01381
摘要

Transition metal single-atom catalysts supported on N-doped graphene (TM–N–C) could serve as an ideal model for studying orbital dependence in electrocatalytic reactions because the atom on the catalytic active site has discrete single-atom-like orbitals. In this work, the catalytic efficiency of Fe–N–C for the oxygen evolution reaction (OER) under a small structural perturbation has been comprehensively investigated with density functional theory calculations. The results suggest that the subtle local environment of a single atom can significantly modulate the catalytic reactivity. Further analysis demonstrates that the energy level of the TM dz2 orbital center, rather than the d-band center, is responsible for the OER catalytic efficiency as the dz2 orbital participates mainly in the reactions. Essentially, the d-band theory can be extended to the sub-d orbital level, and a small perturbation of the crystal field, induced by lattice strain or z-direction displacement of the TM atom, can prominently change the sub-d orbital associated with the reaction and in turn affect the catalytic activity.
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