Experimentally validating sabatier plot by molecular level microenvironment customization for oxygen electroreduction

催化作用 卟啉 化学 过电位 密度泛函理论 化学物理 单线态氧 材料科学 光化学 计算化学 氧气 物理化学 无机化学 电化学 有机化学 电极
作者
Bingyu Huang,Qiao Gu,Xiannong Tang,Dirk Lützenkirchen−Hecht,Kai Yuan,Yiwang Chen
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50377-y
摘要

Abstract Microenvironmental modifications on metal sites are crucial to tune oxygen reduction catalytic behavior and decrypt intrinsic mechanism, whereas the stochastic properties of traditional pyrolyzed single-atom catalysts induce vague recognition on structure-reactivity relations. Herein, we report a theoretical descriptor relying on binding energies of oxygen adsorbates and directly associating the derived Sabatier volcano plot with calculated overpotential to forecast catalytic efficiency of cobalt porphyrin. This Sabatier volcano plot instructs that electron-withdrawing substituents mitigate the over-strong *OH intermediate adsorption by virtue of the decreased proportion of electrons in bonding orbital. To experimentally validate this speculation, we implement a secondary sphere microenvironment customization strategy on cobalt porphyrin-based polymer nanocomposite analogs. Systematic X-ray spectroscopic and in situ electrochemical characterizations capture the pronounced accessible active site density and the fast interfacial/outward charge migration kinetics contributions for the optimal carboxyl group-substituted catalyst. This work offers ample strategies for designing single-atom catalysts with well-managed microenvironment under the guidance of Sabatier volcano map.

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