Potential-Dependent Active Moiety of Fe–N–C Catalysts for the Oxygen Reduction Reaction

部分 质子化 化学 催化作用 活动站点 氧气 氧还原反应 光化学 药物化学 立体化学 无机化学 物理化学 有机化学 电化学 离子 电极
作者
Kang Liu,Junwei Fu,Tao Luo,Ganghai Ni,Hongmei Li,Li Zhu,Ye Wang,Zhang Lin,Yifei Sun,Emiliano Cortés,Min Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:14 (15): 3749-3756 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.3c00583
摘要

The real active moiety of Fe-N-C single-atom catalysts (SACs) during the oxygen reduction reaction (ORR) depends on the applied potential. Here, we examine the ORR activity of various SAC active moieties (Fe-N4, Fe-(OH)N4, Fe-(O2)N4, and Fe-(OH2)N4) over a wide potential window ranging from -0.8 to 1.0 V (vs. SHE) using constant potential density functional theory calculations. We show that the ORR activity of the Fe-N4 moiety is hindered by the slow *OH protonation, while the Fe-(OH2)N4 (0.4 V ≤ U ≤ 1.0 V), *O2-assisted Fe-N4 (-0.6 V ≤ U ≤ 0.2 V), and Fe-(OH)N4 (U = -0.8 V) moieties dominate the ORR activity of the Fe-N-C catalysts at different potential windows. These oxygenated species modified the single-atom Fe sites and can promote *OH protonation by regulating the electron occupancy of the Fe 3dz2 (spin-up) and Fe 3dxz (spin-down) orbitals. Overall, our findings provide guidance for understanding the active moieties of SACs.
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