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劉遠越JACS：Fe-N-C催化劑上ORR的限速步驟是什么？
來源： 時間：2023-11-16 09:57:53 瀏覽：5284次

第一作者：Saerom Yu

通訊作者：劉遠越教授

通訊單位：美國得克薩斯大學奧斯汀分校

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



研究背景



氧還原反應（ORR）對于燃料電池和金屬-空氣電池等多種可再生能源技術至關重要，其中鉑（Pt）是ORR的最佳催化劑，但高成本，阻礙了其商業化應用。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。實驗確定限速步驟還具有挑戰性?；诖耍?/span>美國得克薩斯大學奧斯汀分校劉遠越教授等人報道了所有步驟的活化能，在恒定電極電位下通過分子動力學模擬（AIMD）計算得到。



文章要點



1、與一般認為加氫步驟限制反應速率相反，作者發現限制反應速率的步驟是氧分子取代Fe上吸附的水，這是通過H2O解吸和O2吸附的協同運動發生的，而不會使現場裸露。

2、盡管這是一個明顯的“熱”過程，通常被認為是與電位無關的，但勢壘隨著電極電位的減小而減小，可以解釋為更強的Fe-O2結合和更弱的Fe-H2O結合在較低的電勢下，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提供了新的見解，并強調了動力學研究在非均相電化學中的重要性。



圖文展示



 

圖1. ORR機理的示意圖

 

圖2.反應步驟自由能和凈電荷變化及結構變化

 

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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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達信息以傳之久遠的方式和工具。現代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產生書面文字，很多小語種，有語言但沒有文字。文字的不同體現了國家和民族的書面表達的方式和思維不同。文字使人類進入有歷史記錄的文明社會。
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