Theoretical research on the oxidation mechanism of doped carbon based catalysts for oxygen reduction reaction

文献情報

出版日 2019-11-05
DOI 10.1039/C9CP04691G
インパクトファクター 3.676
著者

Na Yang, Lanlan Peng, Li Li, Jing Li, Zidong Wei


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要旨

To understand the essential reasons of poor durability and rapid initial performance loss of heteroatom doped graphene catalysts during the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) process, it is necessary to explore the detailed mechanism of carbon active site oxidation reaction (COR) at different electrode potentials, as it may greatly influence the ORR activity. Herein, density functional theory (DFT) calculation is used to investigate all possible COR mechanisms, including Direct-COR and Indirect-COR, on four typical doped-graphene, and understand the competing relation between COR and ORR from a thermodynamic point of view. Our systematic calculations found that the Direct-COR is affected directly by the structural stability of doped-graphene relative to pure graphite, and the Indirect-COR can be accelerated largely by the ORR process due to the ORR intermediate, such as O and OOH. The competition relation between COR and ORR is mainly influenced by the interaction between the doped-graphene and reaction species, stability of doped-structure, ORR mechanism, and electrode potential. For COR, the partial oxidation of doped-graphene is the dominant oxidation reaction compared to complete oxidation in the ORR potential range. More importantly, both partial and complete oxidation of doped-graphene can remarkably depress the ORR activity. Hence, COR should be one of the major contributors to the rapid initial performance loss of carbon based catalysts in stability testing. Our results provide a comprehensive and deep understanding of the oxidation of carbon active sites on doped-graphene surfaces and can guide the design of more robust doped-carbon based catalysts.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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