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(纯计算)香港量子人工智能实验室J. Mater. Chem. A: Fe-Ni双原子催化剂上ORR的反应机理及动力学

时间:2024-06-05 来源: 浏览:

(纯计算)香港量子人工智能实验室J. Mater. Chem. A: Fe-Ni双原子催化剂上ORR的反应机理及动力学

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2023年10月18日,J. Mater. Chem. A在线发表了香港量子人工智能实验室 陈冠华教授和加州理工学院WilliamA. Goddard III 课题组的研究论文,题目为《Reaction mechanism and kinetics of oxygen reduction reaction on the iron–nickel dual atom catalyst 》。


氧还原反应 (ORR) 是许多电化学能量转换装置的关键过程,双原子催化剂 (DACs ) 是近年来发展起来的一种有前途的高活性催化剂。 然而,DACs 的ORR 机理 和动 力学 尚未确定 。

在此研究中,为了解决这个问题,作者 采用了具有CANDLE溶剂化的巨正则势动力学(GCP-K) 。 计算了ORR和析氢反应(HER)中间体(OO*、OOH*、O*、OH*和H*)的自由能和巨正则势的行为及其在恒定电荷下的相应过渡态,并将其转换为 自由能随 施加电势的变化, 以预测铁-镍DAC(FeNiN 6 -DAC)上ORR(通过缔合路径)和竞争HER的电流密度随施加电势的变化。

研究发现 ORR的Tafel斜率为 281 mV de c −1 ,与 电流密度为−1.7 mA cm −2 时的 实验Tafel斜率为 169 mV de c −1 相当 。 FeNiN 6 -DAC上ORR反应中间体的浓度随所施加电势的变化表明,在电势>0.25 V vs. RHE时,主要中间体是OH*。

在每个质子转移步骤中,Fe活性位点的电荷转移和自旋密度达到最大值 。 Fe位点上3d轨道的态密度 表明3 d x2 −y2 轨道接近 费米能级,而3 d z2 轨道和费米能级的位置沿着 OO*- OOH* 的第一反应步骤达到最小 。这项研究结果对DACs上ORR基本方面的深入了解为高效催化剂的设计提供了指导。


图1  四电子和二电子转移ORR和HER的反应步骤

图2  FeNiN 6 -DAC的ORR机理

图3 自由能和巨正则势随电子数的变化

图4 OO*-OOH*过渡态的研究

图5 Fe的电荷转移和自旋研究

图6 态密度分析

图7 QM导出的自由能和预测的反应动力学

图8 ORR中间体的浓度


【 论文链接 】
Tamtaji, M., Li, Y., Cai, Y . et al. Reaction mechanism and kinetics of oxygen reduction reaction on the iron–nickel dual atom catalyst . J. Mater. Chem. A , 2023 , 11, 25410-25421 . https://doi.org/ 10.1039/D3TA05694E

【其他相关文献】

[1]  Bai, L., Hsu, CS., Alexander, D.T.L. et al. Double-atom catalysts as a molecular platform for heterogeneous oxygen evolution electrocatalysis. Nat. Energy , 2021 , 6, 1054–1066. https://doi.org/10.1038/s41560-021-00925-3
[2]  Yang, G., Zhu, J., Yuan, P. et al. Regulating Fe-spin state by atomically dispersed Mn-N in Fe-N-C catalysts with high oxygen reduction activity. Nat. Commun ., 2021 , 12, 1734. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21919-5
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