1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 97, № 11, 2023

Журнал физической химии, 2023, T. 97, № 11, стр. 1547-1555

Термодинамика реакции восстановления кислорода на поверхности допированного азотом графена

В. А. Кисленко a, b, С. В. Павлов b, С. А. Кисленко b, *

a Сколковский институт науки и технологий
Москва, Россия

b Объединенный институт высоких температур РАН
Москва, Россия

* E-mail: kislenko@ihed.ras.ru

Поступила в редакцию 05.12.2022
После доработки 24.05.2023
Принята к публикации 26.05.2023

Аннотация

С помощью DFT-моделирования рассчитаны профили свободной энергии реакции восстановления кислорода в кислотной и щелочной средах на поверхности допированного азотом графена в сравнении с бездефектным графеном. Рассмотрены как четырех-, так и двухэлектронный ассоциативный механизм реакции. Расчеты выполнены в большом каноническом ансамбле при фиксированном потенциале электрода. Показано, что расчеты при фиксированном потенциале дают существенное отличие от общепринятого расчета при фиксированном заряде поверхности. Обнаружено, что электрокаталитическое действие азотной примеси связано с ростом энергии хемосорбции интермедиата OOH, что снижает энергию реакции протонирования молекулы кислорода. Также показано, что в щелочной среде азотная примесь ингибирует двухэлектронный механизм реакции.

Ключевые слова: реакция восстановления кислорода, электрокатализ, графен, азотная примесь

Список литературы

  1. Ferriday T.B., Middleton P.H. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 35. P. 18489.

  2. Ma R., Lin G., Zhou Y. et al. // npj Comput. Mater. 2019. V. 5. № 1. P. 78.

  3. Zhang L., Lin C., Zhang D. et al. // Adv. Mater. 2019. V. 31. № 13. P. 1805252.

  4. Wang B., Liu B., Dai L. // Adv. Sustain. Syst. 2021. V. 5. № 1. P. 2000134.

  5. Jia Y., Zhang L., Zhuang L. et al. // Nat. Catal. 2019. V. 2. № 8. P. 688.

  6. Begum H., Ahmed M.S., Kim Y.-B. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 12431.

  7. Tabassum H., Zou R., Mahmood A. et al. // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. № 42. P. 16469.

  8. Lai L., Potts J., Zhan D. et al. // Energy Environ. Sci. 2012. V. 5. № 7. P. 7936.

  9. Wan K., Yu Z.-P., Li X.-H. et al. // ACS Catal. 2015. V. 5. № 7. P. 4325.

  10. Rauf M., Zhao Y.-D., Wang Y.-C. et al. // Electrochem. commun. 2016. V. 73. P. 71.

  11. Yang H., Miao J., Hung S.-F. et al. // Sci. Adv. 2016. V. 2. № 4. P. e1501122.

  12. Kim I.T., Song M., Kim Y. et al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. № 47. P. 22026.

  13. Guo D., Shibuya R., Akiba C. et al. // Science. 2016. V. 351. № 6271. P. 361.

  14. Okamoto Y. // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 256. № 1. P. 335.

  15. Ikeda T., Boero M., Huang S.-F. et al. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 38. P. 14706.

  16. Zhang L., Xia Z. // Ibid. 2011. V. 115. № 22. P. 11170.

  17. Wan X., Shui J. // Sci. Adv. 2022. V. 1. № 1. P. e1400129.

  18. Nørskov J.K., Rossmeisl J., Logadottir A. et al. // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. № 46. P. 17886.

  19. Yu L., Pan X., Cao X. et al. // J. Catal. 2011. V. 282. № 1. P. 183.

  20. Oberhofer H. Handbook of Materials Modeling. Methods: Theory and Modeling. Cham: Springer International Publishing, 2018. 1987 p.

  21. Sundararaman R., Goddard W.A., Arias T.A. // J. Chem. Phys. 2017. V. 146. № 11. P. 114104.

  22. Kim D., Shi J., Liu Y. // J. Am. Chem. Soc. 2018. V. 140. № 29. P. 9127.

  23. Kislenko V.A., Pavlov S.V., Kislenko S.A. // Electrochim. Acta. 2020. V. 341. P. 136011.

  24. Pavlov S.V., Kislenko V.A., Kislenko S.A. // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. № 33. P. 18147–18155.

  25. Gao G., Wang L.-W. // J. Catal. 2020. V. 391. P. 530.

  26. Sundararaman R., Letchworth-Weaver K., Schwarz K. et al. // SoftwareX. 2017. V. 6. P. 278.

  27. Grimme S., Antony J., Ehrlich S. et al. // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. № 15. P. 154104.

  28. Garrity K.F., Bennett J.W., Rabe K.M. et al. // Comput. Mater. Sci. 2014. V. 81. P. 446.

  29. Kakaei K., Esrafili M.D., Ehsani A. Chapter 6 – Oxygen Reduction Reaction // Graphene Surfaces / ed. Kakaei K., Esrafili M.D., Ehsani A. Elsevier, 2019. V. 27. P. 203–252.

  30. Yan H.J., Xu B., Shi S.Q., Ouyang C.Y. // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. № 10. P. 104316.

  31. Gunceler D., Letchworth-Weaver K., Sundararaman R. et al. // Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 2013. V. 21. № 7. P. 74005.

  32. Ashcroft N., Mermin D. Solid State Physics. Cengage Learning, 1976. 848 p.

  33. Sorescu D.C., Jordan K.D., Avouris P. // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105, № 45. P. 11227.

  34. Heller I., Kong J., Williams K.A. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. № 22. P. 7353.

  35. Savin G.I., Shabanov B.M., Telegin P.N., Baranov A.V. // Lobachevskii J. Math. 2019. V. 40. № 11. P. 1853.

  36. Zacharov I., Arslanov R., Gunin M. et al. // Open Eng. 2019. V. 9. № 1. P. 512.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал