Pseudo-adsorption and long-range redox coupling during oxygen reduction reaction on single atom electrocatalyst

电催化剂 催化作用 电子转移 化学 氧化还原 电化学 氢氧化物 质子耦合电子转移 化学物理 氢铵 吸附 析氧 光化学 解吸 无机化学 物理化学 电极 分子 有机化学
作者
Jiewei Chen,Zisheng Zhang,Huimin Yan,Guang‐Jie Xia,Hao Cao,Yang‐Gang Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:87
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29357-7
摘要

Abstract Fundamental understanding of the dynamic behaviors at the electrochemical interface is crucial for electrocatalyst design and optimization. Here, we revisit the oxygen reduction reaction mechanism on a series of transition metal (M = Fe, Co, Ni, Cu) single atom sites embedded in N-doped nanocarbon by ab initio molecular dynamics simulations with explicit solvation. We have identified the dissociative pathways and the thereby emerged solvated hydroxide species for all the proton-coupled electron transfer (PCET) steps at the electrochemical interface. Such hydroxide species can be dynamically confined in a “pseudo-adsorption” state at a few water layers away from the active site and respond to the redox event at the catalytic center in a coupled manner within timescale less than 1 ps. In the PCET steps, the proton species (in form of hydronium in neutral/acidic media or water in alkaline medium) can protonate the pseudo-adsorbed hydroxide without needing to travel to the direct catalyst surface. This, therefore, expands the reactive region beyond the direct catalyst surface, boosting the reaction kinetics via alleviating mass transfer limits. Our work implies that in catalysis the reaction species may not necessarily bind to the catalyst surface but be confined in an active region.
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