Precise Engineering of the Electrocatalytic Activity of FeN4-Embedded Graphene on Oxygen Electrode Reactions by Attaching Electrides

双功能 过电位 石墨烯 催化作用 析氧 材料科学 电极 吸附 氧气 化学物理 纳米技术 化学 化学工程 电化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Peng Wu,Zhilei Ma,Xueqian Xia,Bowen Song,Junwen Zhong,Yanghong Yu,Yucheng Huang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 1121-1129 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03358
摘要

Using first-principles calculations combined with a constant-potential implicit solvent model, we comprehensively studied the activity of oxygen electrode reactions catalyzed by electride-supported FeN4-embedded graphene (FeN4Cx). The physical quantities in FeN4Cx/electrides, i.e., work function of electrides, interlayer spacing, stability of heterostructures, charge transferred to Fe, d-band center of Fe, and adsorption free energy of O, are highly intercorrelated, resulting in activity being fully expressed by the nature of the electrides themselves, thereby achieving a precise modulation in activity by selecting different electrides. Strikingly, the FeN4PDCx/Ca2N and FeN4PDCx/Y2C systems maintain a high oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) activity with the overpotential less than 0.46 and 0.62 V in a wide pH range. This work provides an effective strategy for the rational design of efficient bifunctional catalysts as well as a model system with a simple activity-descriptor, helping to realize significant advances in energy devices.

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