Ab initio study of changing the oxygen reduction activity of Co–Fe-based perovskites by tuning the B-site composition

过电位 密度泛函理论 氧气 化学 钙钛矿(结构) 从头算 催化作用 过渡金属 氧还原反应 金属 无机化学 材料科学 计算化学 物理化学 结晶学 电化学 电极 有机化学 生物化学
作者
Ismail A. M. Ibrahim,Chan‐Yeup Chung
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (5): 4236-4242 被引量:2
标识
DOI:10.1039/d2cp05324a
摘要

Perovskite oxides are promising low-cost and stable alternative electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR), relative to the precious metal-based electrocatalysts. Despite the experimental research on substituting various transition metals into the B-site of perovskite catalysts to improve the ORR performance, the detailed ORR mechanism due to the substitution process is rarely studied. In this paper, the ORR activity of La0.5Sr0.5CoxFe1-xO3 perovskites (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1) is studied by density functional theory (DFT). The ORR mechanism in alkaline solution is theoretically examined as a function of the Co/Fe composition at different potentials. The substitution of Co for Fe at the B-site of the perovskites dramatically changes the theoretical overpotential and enhances the activity. The HOO* formation is the potential-determining step for all the Co/Fe compositions. In comparison with the other compositions, the Co0.5/Fe0.5 composition exhibits the lowest overpotential and bonding with the reaction intermediates moderately. Furthermore, the oxygen binding energy is correlated with the bulk oxygen p-band center relative to the Fermi level. Among all the Co/Fe compositions, the Co0.5/Fe0.5 composition shows neither too low nor too high oxygen p-band center value. These results provide deep insights into the ORR mechanism on B-site substituted perovskites and guidelines for the design of cost-effective and Pt-free electrocatalysts for oxygen reduction.
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