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劉遠(yuǎn)越JACS:Fe-N-C催化劑上ORR的限速步驟是什么?
來(lái)源: 時(shí)間:2023-11-16 09:57:53 瀏覽:3025次

第一作者:Saerom Yu

通訊作者:劉遠(yuǎn)越教授

通訊單位:美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c09193



研究背景



氧還原反應(yīng)(ORR)對(duì)于燃料電池和金屬-空氣電池等多種可再生能源技術(shù)至關(guān)重要,其中鉑(Pt)是ORR的最佳催化劑,但高成本,阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。鐵(Fe)單原子嵌入氮摻雜石墨烯(Fe-N-C)是最有希望的候選者之一,常用于酸性條件下。然而,還不清楚是哪一步限制了Fe-N-C的ORR速率,極大地限制了該催化劑的發(fā)展。通常提出的Fe-N-C上ORR的途徑如下:* + O2 → *OO,*OO + H+ + e? → *OOH,*OOH + H+ + e? →*O + H2O,*O + H+ + e? → *OH,*OH + H+ + e? → * + H2O。實(shí)驗(yàn)確定限速步驟還具有挑戰(zhàn)性?;诖?,美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校劉遠(yuǎn)越教授等人報(bào)道了所有步驟的活化能,在恒定電極電位下通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬(AIMD)計(jì)算得到。



文章要點(diǎn)



1、與一般認(rèn)為加氫步驟限制反應(yīng)速率相反,作者發(fā)現(xiàn)限制反應(yīng)速率的步驟是氧分子取代Fe上吸附的水,這是通過(guò)H2O解吸和O2吸附的協(xié)同運(yùn)動(dòng)發(fā)生的,而不會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)裸露。

2、盡管這是一個(gè)明顯的“熱”過(guò)程,通常被認(rèn)為是與電位無(wú)關(guān)的,但勢(shì)壘隨著電極電位的減小而減小,可以解釋為更強(qiáng)的Fe-O2結(jié)合和更弱的Fe-H2O結(jié)合在較低的電勢(shì)下,由于O2獲得電子和H2O提供電子給催化劑。本研究為Fe-N-C的ORR提供了新的見(jiàn)解,并強(qiáng)調(diào)了動(dòng)力學(xué)研究在非均相電化學(xué)中的重要性。



圖文展示



 

1. ORR機(jī)理的示意圖

 

2.反應(yīng)步驟自由能凈電荷變化及結(jié)構(gòu)變化

 

圖3.不同電位下所有ORR步驟的能量屏障

 

圖4.不同電位下H2O和O2在Fe-N-C上的吸附能

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