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Axial halogen coordinated metal-nitrogen-carbon moiety enables efficient electrochemical oxygen reduction to hydrogen peroxide

化学 过电位 部分 催化作用 电催化剂 电化学 过氧化氢 吉布斯自由能 无机化学 密度泛函理论 可逆氢电极 光化学 物理化学 计算化学 电极 立体化学 有机化学 工作电极 物理 量子力学
作者
Qianqian Liu,Xiaoqiong Bian,Shuyi Xie,Wenqi Ruan,Wenkai Chen,Xiangyu Guo,Kaining Ding
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:51: 1413-1420 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.11.116
摘要

Human life relies on hydrogen peroxide (H2O2), which is a crucial chemical. H2O2 can be produced via electrochemical methods using two-electron oxygen reduction reaction (2e− ORR) on atomically dispersed catalysts, making it a promising substitute for the traditional anthraquinone process, but still has lenty of room for optimization. Axial coordination regulation of active sites is a potential means to improve the selectivity of 2e− ORR. Herein, we design twenty types of single atom sites with precisely defined M–N4–C moiety functionalized by axial coordination R (R=Cl, Br). By calculation of density functional theory (DFT), different from pristine M–N4–C moiety, Cl–Cu–N4 and Br–Zn–N4 especially Br–Zn–N4 has the most favorable 2e− ORR catalytic efficiency with the overpotential of 0.07 and 0.05 V, respectively. In addition, the Gibbs free energy of the intermediate O* exceeds 3.52 eV, indicating a significant suppression of the competitive 4e− ORR reaction. Electronic analyses show that the axial Br in Zn–N4–Br can optimize the 3D orbital of Zn center to enhance O2 adsorption and activation at Zn site, thus reducing ORR barrier and accelerating ORR kinetics. This work extends the field of view of adjusting the reaction path of monatomic electrocatalysis through axial coordination engineering.
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