A Model for the pH-Dependent Selectivity of the Oxygen Reduction Reaction Electrocatalyzed by N-Doped Graphitic Carbon

化学 选择性 催化作用 电解质 碳纤维 溶剂化 石墨烯 无机化学 化学工程 有机化学 离子 物理化学 电极 材料科学 复合数 工程类 复合材料
作者
Benjamin W. Noffke,Qiqi Li,Krishnan Raghavachari,Liang‐shi Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (42): 13923-13929 被引量:107
标识
DOI:10.1021/jacs.6b06778
摘要

Nitrogen-doped graphitic carbon materials have been extensively studied as potential replacements for Pt-based electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). However, little is known about the catalytic mechanisms, including the parameters that determine the selectivity of the reaction. By comparing theoretical calculations of the ORR selectivity at a well-defined graphene nanostructure with experimental results, we propose a model based on interfacial solvation to explain the observed preference for the four-electron pathway in alkaline electrolytes. The hydrophobic environment around the active sites, as in enzymatic catalysis, restricts the access of water and destabilizes small ionic species such as peroxide, the product of the two-electron pathway. This model, when applied to acidic electrolytes, shows the ORR preferring the two-electron pathway, consistent with the well-known pH-dependent ORR selectivity catalyzed by graphitic carbon materials. Because of the similarity between more complex N-doped graphitic carbon materials and our model system, we can extend this model to the former and rationalize nearly all of the previously reported experimental results on the selectivity of ORR catalyzed by these materials.
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