Елементарні акти реакції відновлення молекулярного кисню на допованому нітрогеном sp2-вуглецевому кластері: квантовохімічне дослідження
Анотація
Методом теорії функціонала густини (B3LYP, 6-31 G**) виконані розрахунки просторової і електронної будови комплексів молекули кисню з молекулою коронена і з її азотовмісних аналогом, в якому два атома Нітрогену знаходяться в пара-положенні центрального гексагону. В рамках прийнятого припущення, згідно з яким згадані молекули моделюють чисто вуглецеву і азотовмісну графеноподібну структури, визначено рівноважну будову і енергію утворення всіх проміжних сполук, які виникають при послідовному приєднанні чотирьох електронів і чотирьох протонів до адсорбційного комплексу молекулу О2. Показано, що каталітичну активність допованого Нітрогеном графену в реакції відновлення кисню можна пояснити поєднанням декількох факторів, а саме зменшенням ширини забороненої зони в азотовмісному кластері в порівнянні з вихідним чисто вуглецевим кластером і активацією атомів Карбону, які є сусідами впроваджених атомів N. Розрахунок енергії окремих стадій приєднання кожного з чотирьох електрон і протонів свідчить про самочинність перебігу реакції відновлення кисню на азотовмісному кластері.
Посилання
1. Dai L., Xue Y., Qu L., Choi H.-J., Baek J.-B. Metal-free catalysts for oxygen reduction reaction. Chem. Rev. 2015. 115(11): 4823. https://doi.org/10.1021/cr5003563
2. Stamenkovic V.R., Mun B.S., Arenz M., Mayrhofer K.J.J., Lucas C.A., Wang G., Ross P.N., Markovic N.M. Trends in electrocatalysis on extended and nanoscale Pt-bimetallic alloy surfaces. Nat. Mater. 2007. 6: 241. https://doi.org/10.1038/nmat1840
3. Gasteiger H.A., Kocha S.S., Sompalli B.,Wagner F.T. Activity benchmarks and require-ments for Pt, Pt-alloy, and non-Pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs. Appl. Catal. B. 2005. 56(1–2): 9. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2004.06.021
4. Winter M., Brodd R.J. What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? Chem. Rev. 2004. 104(10): 4245. https://doi.org/10.1021/cr020730k
5. Gong K., Du F., Xia Z., Durstock M., Dai1 L. Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activity for oxygen reduction. Science. 2009. 323(5915): 760. https://doi.org/10.1126/science.1168049
6. Qu L., Liu Y., Baek J-B., Dai L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells. ACS Nano. 2010. 4(3): 1321. https://doi.org/10.1021/nn901850u
7. Kim H., Lee K., Woo S.I., Jung Y. On the mechanism of enhanced oxygen reduction reaction in nitrogen-doped graphene nanoribbons. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. 13: 17505. https://doi.org/10.1039/c1cp21665a
8. Qu L., Liu Y., Baek J.B., Baek J.-B., Dai L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells. ACS Nano. 2010. 4(3): 1321. https://doi.org/10.1021/nn901850u
9. Kumar M.P., Raju M.M., Arunchander A., Selvaraj S., Kalita G., Narayanan T.N., Sahu A.K., Pattanayaka D.K. Nitrogen doped graphene as metal free electrocatalyst for efficient oxygen reduction reaction in alkaline media and its application in anion exchange membrane fuel cells. J. Electrochem. Soc. 2016. 163(8): F848. https://doi.org/10.1149/2.0541608jes
10. Huang S.F., Terakura K., Ozaki T., Ikeda T., Boero M., Oshima M., Ozaki J., Miyata S. First-principles calculation of the electronic properties of graphene clusters doped with nitrogen and boron: analysis of catalytic activity for the oxygen reduction reaction. Phys. Rev. B. 2009. 80(23): 235410. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.235410
11. Wang Y., Zhang B., Xu M., He X. Tunable ternary (P, S, N)-doped graphene as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction in an alkaline medium. RSC Adv. 2015. 5(105): 86746. https://doi.org/10.1039/C5RA18251D
12. Jiao Y., Zheng Y., Jaroniec M., Qiao S.Z. Origin of the electrocatalytic oxygen reduction activity of graphene-based catalysts: a roadmap to achieve the best performance. J. Am. Chem. Soc. 2014. 136(11): 4394. https://doi.org/10.1021/ja500432h
13. Chai G.-L., Hou Z., Da-Jun Shu D.-J., Ikeda T., Terakura K. Active sites and mechanisms for oxygen reduction reaction on nitrogen-doped carbon alloy catalysts: Stone–Wales defect and curvature effect. J. Am. Chem. Soc. 2014. 136(39): 13629. https://doi.org/10.1021/ja502646c
14. Choi C.H., Lim H.-K., Chung M.W., Park J.C., Shin H., Kim H., Woo S.I. Long-range electron transfer over graphene-based catalyst for high-performing oxygen reduction reactions: importance of size, N-doping, and metallic impurities. J. Am. Chem. Soc. 2014. 136(39) 9070. https://doi.org/10.1021/ja5033474
15. Lujie Cao L., Yang M., Lu Z., Pan H. Exploring an effective oxygen reduction reaction catalyst via 4e− process based on waved-graphene. Sci. China Mater. 2017. 60(8): 739. https://doi.org/10.1007/s40843-017-9070-1
16. Reyimjan A., Sidik R.A., Alfred B., Anderson A.B., Subramanian N.P., Swaminatha P., Kumaraguru S.P., Popov B.N. O2 reduction on graphite and nitrogen-doped graphite: experiment and theory. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(4): 1787. https://doi.org/10.1021/jp055150g
17. Li F., Shu H., Hu C., Shi Zh., Liu X., Liang P., Chen X. Atomic mechanism of electrocatalytically active Co–N complexes in graphene basal plane for oxygen reduction reaction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. 7(49): 27405. https://doi.org/10.1021/acsami.5b09169
18. Huda M.N., Ray A.K. A density functional study of molecular oxygen adsorption and reaction barrier on Pu(100) surface. Eur. Phys. J. B. 2005. 43(1): 131. https://doi.org/10.1140/epjb/e2005-00036-4
19. Maldonado S., Morin S., Stevenson K.J. Structure, composition, and chemical reactivity of carbon nanotubes by selective nitrogen doping. Carbon. 2006. 44(8): 1429. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.11.027
20. Shemella P., Zhang Y., Mailman M. Energy gaps in zero-dimensional graphene nanoribbons. Appl. Phys. Lett. 2007. 91: 042101. https://doi.org/10.1063/1.2761531
21. Zheng H., Duley W. Field effects on the electronic and spin properties of undoped and doped graphene nanodots. Phys. Rev. B. 2008. 78: 155118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.155118
22. Alexeyeva N., Shulga E., Kisand V., Kink I., Tammeveski K. Electroreduction of oxygen on nitrogen-doped carbon nanotube modified glassy carbon electrodes in acid and alkaline solutions. J. Electroanal. Chem. 2010. 648(2): 169. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2010.07.014
23. Li Y., Zhong G., Yu H., Wang H. Peng F. O2 and H2O2 transformation steps for oxygen reduction reaction catalyzed by graphitic nitrogen-doped carbon nanotubes in acidic electrolyte from first principles calculations. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. 17(34): 21950. https://doi.org/10.1039/C5CP02167G
24. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki Sh., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su Sh., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. Jr. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
25. Kohn W., Sham L.S. Self-consistent equation including exchange and correlation effect. Phys. Rev. A. 1965. 140(4): 1133. https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
26. Parr R.G., Yang W. Density-functional theory of atoms and molecules. (Oxford: Oxford Univ. Press, 1989).
27. Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exchange. J. Chem. Phys. 1993. 98(7): 5648. https://doi.org/10.1063/1.464913
28. Lee C., Yang W., Parr R.G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of theelectron density. Phys. Rev. B. 1988. 37(2): 785. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
29. Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory. J. Comput. Chem. 2011. 32(7): 1456. https://doi.org/10.1002/jcc.21759
30. Yan H.J., Xu B., Shi S.Q., Ouyang C.Y. First-principles study of the oxygen adsorption and dissociation on graphene and nitrogen doped graphene for Li-air batteries. J. Appl. Phys. 2012. 112(10): 104316. https://doi.org/10.1063/1.4766919
31. Zhang L., Xia Z. Mechanisms of oxygen reduction reaction on nitrogen-doped graphene for fuel cells. J. Phys. Chem. C. 2011. 115(22): 11170. https://doi.org/10.1021/jp201991j
32. Liao Y., Gao Y., Zhu S., Zheng J., Chen Z., Yin C., Lou X., Zhang D. Facile fabrication of N-doped graphene as efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. 7(35): 19619. https://doi.org/10.1021/acsami.5b05649
