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Role of atomic substitution in first coordination shell of Fe–N–C single atom catalyst towards oxygen reduction reaction: A theoretical study

催化作用 替代(逻辑) 氧还原反应 Atom(片上系统) 原子氧 氧原子 壳体(结构) 化学 氧气 还原(数学) 结晶学 材料科学 物理化学 电化学 分子 有机化学 几何学 数学 电极 复合材料 计算机科学 嵌入式系统 程序设计语言
作者
Monika Singh,Dipak K. Das,Anuj Kumar
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:69: 1149-1156 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2024.05.124
摘要

Due to structural complexity and limited understanding, precise chemical modification in atomically dispersed metal-nitrogen-carbon (M-N-C) catalysts requires theoretical calculations to optimize electronic, geometric, and catalytic performance and experimental implementation of learned lessons to improve their catalytic performance towards oxygen reduction reaction (ORR). Herein, we conducted a density functional theory (DFT) investigation to understand the effect of the replacement of O-atoms in Fe–O4–C by N-atoms in the first coordination shell of Fe-site (constructing five models: Fe–O4–C, Fe–O3N–C, Fe–N2O2–C, Fe–ON3–C and Fe–N4–C) towards ORR. The geometric and electronic calculations of these models suggested that replacing all the O-atoms with N-atoms around the Fe-site would make it more conducive to the adsorption of ORR intermediates. Moreover, the Gibbs free energy calculations demonstrated that the Fe-site becomes the active centre for 2e− ORR, leading to the dominant generation of H2O2 when Fe is coordinated with four O-atoms (Fe–O4–C). Whereas in compounds like Fe–N2O2–C, Fe–O3N–C, and Fe–N4–C, where the Fe-site displays 4e− ORR, form water is a preferred product if the O-atoms are replaced by N-atoms, as in Fe–N2O2–C, Fe–O3N–C, and Fe–N4–C. This study would provide a fundamental understanding of how atomically dispersed M-N-C catalysts' electrocatalytic activity is affected by changes in the coordination environment of metal sites.
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