Electronic properties of double-atom catalysts for electrocatalytic oxygen evolution reaction in alkaline solution: a DFT study

过电位 析氧 催化作用 电催化剂 材料科学 分解水 化学 化学工程 物理化学 电化学 电极 有机化学 光催化 工程类
作者
Chunhua Yang,Yang Wu,Yuxiu Wang,Hena Zhang,Liang-Hui Zhu,Xiaochun Wang
出处
期刊:Nanoscale [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (1): 187-195 被引量:25
标识
DOI:10.1039/d1nr06334k
摘要

In alkaline solution, the electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER) of dual transition metal atom (2TM) nitrogen-decorated graphene as a double-atom catalyst (DAC) has received special attention. Here, using density functional theory (DFT) calculations, the OER electrocatalysis of 2TM-pyridine/amino-nitrogen-decorated graphene (2TM-NPAG and 2TM-NPG. 2TM represents FeCo, FeNi, Conti) is studied. The electrocatalytic OER mechanism is that 2TM-NPG acts as the pre-catalyst, while the real catalysts are 2TM-NPAG and 2TM-NPG-O. In particular, CoNi-NPAG and CoNi-NPG-O exhibit higher OER activity compared to state-of-the-art RuO2 at pH = 14. It is confirmed that the potential-determining step is also the rate-determining step. Amino-nitrogen is the main accepter of electrons from CoNi atoms and pyridine-nitrogen is the main acceptor of electrons from nearby C atoms. The role of different N coordination continues to influence the entire electrocatalytic OER process of CoNi-NG. Simultaneously, the overpotential of CoNi-NG is in a volcano-shaped relationship with the electronic properties (oxidation state or d-band center) of the catalytic site of Co. Moreover, CoNi-NPAG and CoNi-NPG-O are the closest to the center of the OER overpotential (a function of the d-band center and oxidation state) contour plot, implying that they exhibit the best catalytic activity among all the CoNi-NG materials. The optimal electronic properties of CoNi-NPAG and CoNi-NPG-O contribute towards their excellent OER performance, and provide a new breakthrough in developing high-performance DACs.
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