物理化学学报 >> 2023, Vol. 39 >> Issue (1): 2207007.doi: 10.3866/PKU.WHXB202207007
吴明亮1, 章烨晖1, 付战照1, 吕之阳2, 李强1,*(), 王金兰1,*(
)
收稿日期:
2022-07-05
录用日期:
2022-07-31
发布日期:
2022-08-09
通讯作者:
李强,王金兰
E-mail:qiang.li@seu.edu.cn;jlwang@seu.edu.cn
基金资助:
Mingliang Wu1, Yehui Zhang1, Zhanzhao Fu1, Zhiyang Lyu2, Qiang Li1,*(), Jinlan Wang1,*(
)
Received:
2022-07-05
Accepted:
2022-07-31
Published:
2022-08-09
Contact:
Qiang Li,Jinlan Wang
E-mail:qiang.li@seu.edu.cn;jlwang@seu.edu.cn
About author:
Email: jlwang@seu.edu.cn(J.W.)Supported by:
摘要:
理解析氧反应(OER)电催化剂活性位点的活性来源是开发高效电催化剂的关键。然而,由于催化剂结构-活性关系的复杂性,发展高效电催化剂仍然是一个至关重要的挑战。本文设计了不同Co-N-C催化剂构型,包括单原子、双原子和团簇,并通过第一性原理计算建立了析氧反应构效关系。结果表明,Co-N4由于金属中心的高配位数和与所有析氧反应中间体的适中吸附能,表现出最佳反应性,过电位为0.37 V。双原子和团簇的活性来源于催化剂自身与反应中间体相结合的高度配位结构。此外,本文基于Co-N4构型讨论了影响OER活性的其他因素,其中弱金属-金属相互作用可以通过调节Co-O的反键能级优化含氧中间体的吸附降低反应过电位。随后,根据建立的结构-吸附-活性关系,对火山图进行外推,得到CoNi-type4体系OER的过电位为0.23 V。本文研究揭示了Co-N-C催化剂OER活性的起源,建立了基于原子尺度的Co-N-C催化剂的构效关系,有助于理解M-N-C基催化剂的高性能,并促进高效OER催化剂的设计。
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Fig 1
Evaluation of catalytic activity of single atoms with different structures. (a) Monoatomic structure of cobalt with different coordination structures, where black, light blue and blue represent C, N and Co atoms, respectively (color online). (b) The relationship between the overpotential of different Co-N-C catalysts and ∆G*OH, where † is referenced in Ref. 40. (c) Simulated polarization curves of Co-N4, Co-N4-exp, Co-N3C1, Co-N3-v and Co-N1C3, data of Co-N4-exp is referenced in Ref. 21."
Fig 2
Evaluation of catalytic activity of diatoms and clusters. (a) Structures for Co2-type1 and Co4-type1. (b) Reaction energy diagram of Co-N4, Co2-type1, and Co4-type1. (c) Reaction energy diagram of Co2-type1 after pre-adsorption of OH, O and O2 (Co2-type1-OH, Co2-type1-O, Co2-type1-O2). (d) Simulated polarization curves of Co-N4, Co2-type1-OH, Co2-type1-O and Co2-type1-O2."
Fig 3
Identification of the indirect inter-site interaction. (a) Spin density of Co2-type2 (Ⅰ), Co2-type3 (Ⅱ), CoFe-type3 (Ⅲ) and CoNi-type3 (Ⅳ). The yellow or blue color indicates positive and negative spin density. The isosurface is plotted with 0.003 eV∙Å?3. (b) Reaction energy diagram of Co-N4 (blue), Co2-type2 (red) and Co2-type3 (black). (c) Adsorption energies of oxygen-containing intermediates (*OH, *O, *OOH) on CoFe-type3, Co2-type3 and CoNi-type3, respectively. Color online."
Fig 4
Identification of the weak metal-metal interaction. (a) Structures for Co2-type4 and the electron localization functions (ELF) contour. (b) Reaction energy diagram of Co-N4, CoMn-type4, CoFe-type4, Co2-type4, CoNi-type4, and CoCu-type4. (c) The scaling relationship between ΔG*OOH and ΔG*OH. (d) The scaling relationship between ηOER versus ΔGO* - ΔG*OH. The theoretical volcano plot derived from the data is displayed in black. Color online."
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