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Revealing the role of double-layer microenvironments in pH-dependent oxygen reduction activity over metal-nitrogen-carbon catalysts

催化作用 化学 氧气 无机化学 碳纤维 电化学 金属 氮气 光化学 质子交换膜燃料电池 可逆氢电极 材料科学 电极 物理化学 有机化学 工作电极 复合数 复合材料
作者
Peng Li,Yuzhou Jiao,Yaner Ruan,Houguo Fei,Yana Men,Cunlan Guo,Yuen Wu,Shengli Chen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:97
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42749-7
摘要

A standing puzzle in electrochemistry is that why the metal-nitrogen-carbon catalysts generally exhibit dramatic activity drop for oxygen reduction when traversing from alkaline to acid. Here, taking FeCo-N6-C double-atom catalyst as a model system and combining the ab initio molecular dynamics simulation and in situ surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, we show that it is the significantly distinct interfacial double-layer structures, rather than the energetics of multiple reaction steps, that cause the pH-dependent oxygen reduction activity on metal-nitrogen-carbon catalysts. Specifically, the greatly disparate charge densities on electrode surfaces render different orientations of interfacial water under alkaline and acid oxygen reduction conditions, thereby affecting the formation of hydrogen bonds between the surface oxygenated intermediates and the interfacial water molecules, eventually controlling the kinetics of the proton-coupled electron transfer steps. The present findings may open new and feasible avenues for the design of advanced metal-nitrogen-carbon catalysts for proton exchange membrane fuel cells.
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