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Two-Dimensional Metal–Organic Frameworks as Ultrahigh-Performance Electrocatalysts for the Fuel Cell Cathode: A First-Principles Study

过电位 催化作用 化学 结合能 金属 过渡金属 密度泛函理论 阴极 分子 氧还原反应 无机化学 物理化学 计算化学 电化学 有机化学 物理 电极 核物理学
作者
Xin Chen,Liang Luo,Fan Ge
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:38 (16): 4996-5005 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.2c00554
摘要

Except for metal-organic frameworks (MOFs) with traditional metal-nitrogen sites, MOFs with metal-oxygen sites may also possess good oxygen reduction reaction (ORR) catalytic activity due to their unique electronic structures. Herein, using density functional theory methods, the ORR performances of a series of M3(HHTT)2 (where M is a 3d, 4d, or 5d transition metal and HHTT is 2,3,7,8,12,13-hexahydroxytetraazanaphthotetraphene)) catalysts are explored. The binding energy (ΔEspecies) results suggest that the binding energy of *OH (ΔE*OH) shows a good linear relationship with the binding energies of *O and *OOH (ΔE*O and ΔE*OOH, respectively), indicating that ΔE*OH can serve as a descriptor to reflect the catalytic activity of M3(HHTT)2. In addition, the volcano plot suggests that M3(HHTT)2 catalysts with a moderate binding strength of the intermediate *OH (0.6 eV < ΔE*OH < 0.9 eV) show relatively high ORR activity. Therefore, four highly active ORR catalysts are screened out, namely, Fe3(HHTT)2, Co3(HHTT)2, Rh3(HHTT)2, and Ir3(HHTT)2, which possess very small overpotentials of 0.35, 0.24, 0.31, and 0.29 V, respectively. Their potential-determining step is the reduction of O2 to the intermediate *OOH. It is encouraging that the theoretically lowest overpotential of this kind of catalyst is 0.21 V, which is superior to that on Pt(111). Moreover, Co3(HHTT)2 has excellent poisoning-tolerance ability for impurity gases (CO, NO, and SO2) as well as fuel molecules (CH3OH and HCOOH).

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