Single-Site Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction: Why Iron Is Better than Platinum

催化作用 铂金 氧还原反应 氧气 还原(数学) 化学 氧还原 无机化学 电化学 有机化学 物理化学 电极 数学 几何学
作者
Alessandro Facchin,Daniel Forrer,Mirco Zerbetto,Francesco Cazzadori,Andrea Vittadini,Christian Durante
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (19): 14373-14386 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02366
摘要

This paper aims to elucidate the origin and the different catalytic properties toward the oxygen reduction reaction in the acidic electrolyte of Fe-octaethylporphyrin (FeOEt) and Pt-octaethylporphyrin (PtOEt) supported on Au(111) electrodes. The electrocatalytic process in the two systems is monitored by using in situ scanning tunneling microscopy, allowing observation of the different redox states of the metal center and the different coordination of oxygen, which manifests as a net difference in topography. The coordination of oxygen at the two metal centers was confirmed by computational models, which observed a much stronger interaction between Fe-O2 (1.75 Å) than in Pt-O2 (3 Å). Cyclic voltammetry at still and rotating ring disc electrodes evidenced that at FeOEP, the ORR occurred according to redox-catalysis-like, Eonset (ORR) = 0.5 V vs reversible hydrogen electrode (RHE), where the variation of the metal center redox state mediates the reduction of the oxygen molecule, recovering its original oxidation state by reduction at the electrode. Conversely, PtOEP, which does not possess a redox behavior, results in worse performances, Eonset (ORR) = 0.275 V vs RHE, but certain catalysis is still observed. A tetraelectronic reduction process to H2O was observed at both metal centers, and the mechanism was fully interpreted by computational analysis.
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