分子应变加速电子转移以提高氧气减少
Charles B Musgrave1, Jianjun Su2, Pei Xiong3
1Materials and Process Simulation Center, California Institute of Technology, Pasadena 91125, California, United States.
铁--碳 (Fe-N-C) 催化剂的局部应变显著提高了氧降解反应 (ORR) 的动力学. 这种分子菌株提高了可再生能源应用的催化剂性能.
科学领域:
- 材料科学
- 电化学
- 计算化学
背景情况:
- 铁--碳 (Fe-N-C) 材料是氧降解反应 (ORR) 的催化剂的有希望的替代品.
- Fe-N-C 材料的ORR 动力学缓慢导致高过量的电位,限制了它们在能量转换装置中的效率.
研究的目的:
- 调查局部分子应变对Fe-N-C催化剂ORR性能的影响.
- 以铁氨酸 (FePc) 为模型系统阐明应变影响ORR动力学的机制.
主要方法:
- 密度函数理论 (DFT) 的计算用于预测ORR机制和能量障碍.
- 在单壁碳纳米管上试验合成和电化学表征应力FePc催化剂.
- 将优化的催化剂集成到空气电池中进行性能评估.
主要成果:
- DFT计算显示,分子应变通过将能量屏障降低大约60meV来加速*OH的减少脱落.
- 在实验中,应力FePc实现了0.952 V的半波电位 (E1/2) 和35.7 mV dec-1的Tafel斜率,与最先进的Fe-N-C催化剂相竞争.
- 对于平面与曲的FePc配置,观察到E1/2的70mV变化和明显的Tafel斜率,符合理论预测.
结论:
- 分子应变是提高Fe-N-C材料的ORR活性的一个有效策略.
- 通过控制催化剂结构,这些发现为可再生能源应用设计高性能催化剂提供了途径.
- 应力FePc催化剂在空气电池中表现出色,最高功率密度为350.6mW cm-2.
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