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Origin of the Electrocatalytic Oxygen Reduction Activity of Graphene-Based Catalysts: A Roadmap to Achieve the Best Performance

电催化剂 化学 催化作用 石墨烯 密度泛函理论 电化学能量转换 电化学 交换电流密度 金属 化学物理 计算化学 纳米技术 组合化学 无机化学 物理化学 电极 材料科学 有机化学 塔菲尔方程
作者
Yan Jiao,Yao Zheng,Mietek Jaroniec,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (11): 4394-4403 被引量:999
标识
DOI:10.1021/ja500432h
摘要

The mutually corroborated electrochemical measurements and density functional theory (DFT) calculations were used to uncover the origin of electrocatalytic activity of graphene-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR). A series of graphenes doped with nonmetal elements was designed and synthesized, and their ORR performance was evaluated in terms of four electrochemical descriptors: exchange current density, on-set potential, reaction pathway selectivity and kinetic current density. It is shown that these descriptors are in good agreement with DFT calculations, allowing derivation of a volcano plot between the ORR activity and the adsorption free energy of intermediates on metal-free materials, similarly as in the case of metallic catalysts. The molecular orbital concept was used to justify this volcano plot, and to theoretically predict the ORR performance of an ideal graphene-based catalyst, the ORR activity of which is comparable to the state-of-the-art Pt catalyst. Moreover, this study may stimulate the development of metal-free electrocatalysts for other key energy conversion processes including hydrogen evolution and oxygen evolution reactions and largely expand the spectrum of catalysts for energy-related electrocatalysis reactions.

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