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4d 过渡金属掺杂 g-C3N4 单分子层中电荷态和双功能 OER/ORR 电催化剂活性的理论见解
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2024-01-25 , DOI: 10.1021/acsami.3c14995
Dongying Li 1 , Aodi Zhang 2 , Zhenzhen Feng 2 , Wentao Wang 1
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探索用于双功能析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的高效稳定的电催化剂对于开发可再生能源技术至关重要。然而,由于与这些双功能 OER/ORR 电催化剂相关的大量且复杂的设计空间,它们的开发提出了巨大的挑战,导致它们在实验和计算研究中成本高昂。在此,我们利用缺陷物理方法,系统地研究了4d-过渡金属(4d-TM,4d-TM = Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd 和 Ag)的形成能和双功能过电势( η Bi ) ) 掺杂单层超级电池 gC 3 N 4 (4d-TM@C 54 N 72 ) 基于密度泛函理论 (DFT) 计算。在富氮和富碳条件下,我们发现Rh N @C 54 N 71 (Rh占据N)和Pd N @C 54 N 71 (Pd占据N)的形成能小于其他4d- TM N @C 54 N 71 (4d-TM 占用 N 位点);对于4d-TM int @C 54 N 72 (4d-TM 间隙位置占据),最低形成能缺陷是Pd int @C 54 N 72 。这些结果表明它们具有更好的稳定性。有趣的是,对于这些形成能较低的系统,Pd 0 int @C 54 N 72 (η Bi = 1.00 V) 和 Rh 1+ N @C 54 N 71 (η Bi = 0。73 V)具有超低过电势,非常适合双功能 OER/ORR 电催化剂。我们发现原因是调节4d-TM@C 54 N 72的电荷态可以调节含氧中间体与4d-TM@C 54 N 72之间的相互作用强度,这在反应活性中起着至关重要的作用。此外,通过机器学习(ML)应用获得的数据表明,4d-TM和配位原子( d TM-OOH )的电负性( N m )和键长分别是表征OER和ORR活性的主要描述符。 4d-TM@C 54 N 72双功能 OER/ORR 活性的带电缺陷调节将能够优化电催化性能并开发用于可再生能源应用的潜在电催化剂。

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