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Rational design of 2D MBene-based bifunctional OER/ORR dual-metal atom catalysts: a DFT study
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2023-10-11 , DOI: 10.1039/d3cp04323a Yiwei Mou 1 , Yanwei Wang 1 , Jin Wan 1 , Guangxu Yao 1 , Chuanzhen Feng 1 , Huijuan Zhang 1, 2 , Yu Wang 1, 2
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2023-10-11 , DOI: 10.1039/d3cp04323a Yiwei Mou 1 , Yanwei Wang 1 , Jin Wan 1 , Guangxu Yao 1 , Chuanzhen Feng 1 , Huijuan Zhang 1, 2 , Yu Wang 1, 2
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Designing highly active, low-cost, and bifunctional oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is urgent for the development of metal–air batteries. Herein, by density functional theory (DFT) calculations, we systematically reported a series of dual-metal atom adsorbed novel two-dimensional (2D) MBenes as efficient bifunctional catalysts for the OER/ORR (namely 2TM/TM1TM2–Mo2B2O2, TM = Mn, Fe, Co, Ni). Our theoretical results show that 2Ni–Mo2B2O2, FeCo–Mo2B2O2 and CoNi–Mo2B2O2 exhibit outstanding OER/ORR catalytic activity with overpotentials of 0.49/0.27 V, 0.38/0.50 V and 0.25/0.51 V, respectively, exceeding those of IrO2(110) for the OER and Pt(111) for the ORR. Additionally, these highly active bifunctional catalysts can effectively suppress the hydrogen evolution reaction (HER), ensuring the absolute preference for the OER/ORR. More importantly, the Bader charge (QTM) of adsorbed dual-metal atoms is used as a descriptor of OER/ORR catalytic activity, which is linearly related to ηORR and volcanically related to −ηOER. Our work not only provides new theoretical guidance for developing noble metal-free bifunctional electrocatalysts but also enriches the application of MBenes in electrocatalysis.
中文翻译：
二维MBene基双功能OER/ORR双金属原子催化剂的合理设计：DFT研究
设计高活性、低成本、双功能的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）催化剂是金属空气电池发展的当务之急。在此，通过密度泛函理论（DFT）计算，我们系统地报道了一系列双金属原子吸附的新型二维（2D）MBenes作为OER/ORR的高效双功能催化剂（即2TM/TM 1 TM 2 –Mo 2 B 2 O 2，TM = Mn、Fe、Co、Ni)。我们的理论结果表明，2Ni–Mo 2 B 2 O 2、FeCo–Mo 2 B 2 O 2和CoNi–Mo 2 B 2 O 2表现出出色的OER/ORR催化活性，过电位分别为0.49/0.27 V、0.38/0.50 V和0.25/0.51 V，分别超过OER的IrO 2 (110)和ORR的Pt(111)。此外，这些高活性双功能催化剂可以有效抑制析氢反应（HER），确保OER/ORR的绝对优先性。更重要的是，吸附的双金属原子的Bader电荷（Q TM）被用作OER/ORR催化活性的描述符，它与η ORR线性相关，与- η OER火山相关。我们的工作不仅为开发不含贵金属的双功能电催化剂提供了新的理论指导，而且丰富了MBenes在电催化中的应用。
更新日期：2023-10-11
中文翻译：
二维MBene基双功能OER/ORR双金属原子催化剂的合理设计：DFT研究
设计高活性、低成本、双功能的析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）催化剂是金属空气电池发展的当务之急。在此，通过密度泛函理论（DFT）计算，我们系统地报道了一系列双金属原子吸附的新型二维（2D）MBenes作为OER/ORR的高效双功能催化剂（即2TM/TM 1 TM 2 –Mo 2 B 2 O 2，TM = Mn、Fe、Co、Ni)。我们的理论结果表明，2Ni–Mo 2 B 2 O 2、FeCo–Mo 2 B 2 O 2和CoNi–Mo 2 B 2 O 2表现出出色的OER/ORR催化活性，过电位分别为0.49/0.27 V、0.38/0.50 V和0.25/0.51 V，分别超过OER的IrO 2 (110)和ORR的Pt(111)。此外，这些高活性双功能催化剂可以有效抑制析氢反应（HER），确保OER/ORR的绝对优先性。更重要的是，吸附的双金属原子的Bader电荷（Q TM）被用作OER/ORR催化活性的描述符，它与η ORR线性相关，与- η OER火山相关。我们的工作不仅为开发不含贵金属的双功能电催化剂提供了新的理论指导，而且丰富了MBenes在电催化中的应用。
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