Density functional studies of functionalized graphitic materials with late transition metals for oxygen reduction reactions

密度泛函理论 催化作用 过渡金属 化学 化学物理 活动站点 过渡状态 氧化还原 阴极 吸附 无机化学 氧还原反应 计算化学 氧气 物理化学 电化学 有机化学 电极
作者
Federico Calle‐Vallejo,José I. Martínez,Jan Rossmeisl
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (34): 15639-15639 被引量:477
标识
DOI:10.1039/c1cp21228a
摘要

Low-temperature fuel cells are appealing alternatives to the conventional internal combustion engines for transportation applications. However, in order for them to be commercially viable, effective, stable and low-cost electrocatalysts are needed for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) at the cathode. In this contribution, on the basis of Density Functional Theory (DFT) calculations, we show that graphitic materials with active sites composed of 4 nitrogen atoms and transition metal atoms belonging to groups 7 to 9 in the periodic table are active towards ORR, and also towards Oxygen Evolution Reaction (OER). Spin analyses suggest that the oxidation state of those elements in the active sites should in general be +2. Moreover, our results verify that the adsorption behavior of transition metals is not intrinsic, since it can be severely altered by changes in the local geometry of the active site, the chemical nature of the nearest neighbors, and the oxidation states. Nonetheless, we find that these catalysts trend-wise behave as oxides and that their catalytic activity is limited by exactly the same universal scaling relations.
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