Electronic Spin Moment As a Catalytic Descriptor for Fe Single-Atom Catalysts Supported on C2N

化学 催化作用 过渡金属 密度泛函理论 Atom(片上系统) 自旋态 计算化学 化学物理 自旋(空气动力学) 金属 无机化学 热力学 有机化学 物理 计算机科学 嵌入式系统
作者
Wenhui Zhong,Yue Qiu,Hujun Shen,Xijun Wang,Jianyong Yuan,Chuanyi Jia,Siwei Bi,Jun Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (11): 4405-4413 被引量:172
标识
DOI:10.1021/jacs.1c00889
摘要

The electrocatalytic activity of transition-metal-based compounds is strongly related to the spin states. However, the underlying relationship connecting spin to catalytic activity remains unclear. Herein, we carried out density functional theory calculations on oxygen reduction reaction (ORR) catalyzed by Fe single-atom supported on C2N (C2N–Fe) to shed light on this relationship. It is found that the change of electronic spin moments of Fe and O2 due to molecular-catalyst adsorption scales with the amount of electron transfer from Fe to O2, which promotes the catalytic activity of C2N–Fe for driving ORR. The nearly linear relationship between the catalytic activity and spin moment variation suggests electronic spin moment as a promising catalytic descriptor for Fe single-atom based catalysts. Following the revealed relationship, the ORR barrier on C2N–Fe was tuned to be as low as 0.10 eV through judicious manipulation of spin states. These findings thus provide important insights into the relationship between catalytic activity and spin, leading to new strategies for designing transition metal single-atom catalysts.
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