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Probing the catalytic activity of M-N4−xOx embedded graphene for the oxygen reduction reaction by density functional theory

催化作用 密度泛函理论 吸附 吉布斯自由能 石墨烯 兴奋剂 工作(物理) 化学 电子结构 物理化学 氧气 材料科学 计算化学 氧还原反应 纳米技术 热力学 物理 有机化学 电极 光电子学 电化学
作者
Fan Ge,Qing‐An Qiao,Xin Chen,You Wu
出处
期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering [Springer Nature]
卷期号:15 (5): 1206-1216 被引量:43
标识
DOI:10.1007/s11705-020-2017-7
摘要

In this work, the detailed oxygen reduction reaction (ORR) catalytic performance of M-N4−xOx (M = Fe, Co, and Ni; x =1−4) has been explored via the detailed density functional theory method. The results suggest that the formation energy of M-N4−xOx shows a good linear relationship with the number of doped O atoms. The adsorption manner of O2 on M-N4−xOx changed from end-on (x = 1 and 2) to side-on (x = 3 and 4), and the adsorption strength gradually increased. Based on the results for binding strength of ORR intermediates and the Gibbs free energy of ORR steps on the studied catalysts, we screened out two highly active ORR catalysts, namely Co-N3O1 and Ni-N2O2, which possess very small overpotentials of 0.27 and 0.32 V, respectively. Such activities are higher than the precious Pt catalyst. Electronic structure analysis reveals one of the reasons for the higher activity of Co-N3O1 and Ni-N2O2 is that they have small energy gaps and moderate highest occupied molecular orbital energy levels. Furthermore, the results of the density of states reveal that the O doping can improve the electronic structure of the original catalyst to tune the adsorption of the ORR intermediates.
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