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The Tetrapyrollic Motif in Nitrogen Doped Carbons and M-N-C Electrocatalysts as Active Site in the Outer-Sphere Mechanism of the Alkaline Oxygen Reduction Reaction

  • Development and fundamental understanding of precious-group-metal-free electrocatalysts is hampered by limitations in the quantification of the intrinsic activity of different catalytic sites and understanding the different reaction mechanisms. Comparing isomorphic nitrogen-doped carbons, Zn-N-Cs and Fe-N-Cs with the common tetrapyrrolic motif, a catalyst-independent outer-sphere rate-determining step in the alkaline oxygen reduction reaction is observed. Density functional theory (DFT) simulations on tetrapyrrolic model structures indicate the highest occupied molecular orbital (HOMO) level as a good descriptor for the catalytic activity. Contour plots suggest that the electron transfer occurs directly from the tetrapyrrolic coordination site, rather than from the metal center. Metal-free tetrapyrrolic N4 sites are discovered to be highly active oxygen reduction reaction (ORR) active sites in alkaline that reach turnover frequencies (TOF) of 0.33 and 1.84 s−1 at 0.80 and 0.75 VRHE inDevelopment and fundamental understanding of precious-group-metal-free electrocatalysts is hampered by limitations in the quantification of the intrinsic activity of different catalytic sites and understanding the different reaction mechanisms. Comparing isomorphic nitrogen-doped carbons, Zn-N-Cs and Fe-N-Cs with the common tetrapyrrolic motif, a catalyst-independent outer-sphere rate-determining step in the alkaline oxygen reduction reaction is observed. Density functional theory (DFT) simulations on tetrapyrrolic model structures indicate the highest occupied molecular orbital (HOMO) level as a good descriptor for the catalytic activity. Contour plots suggest that the electron transfer occurs directly from the tetrapyrrolic coordination site, rather than from the metal center. Metal-free tetrapyrrolic N4 sites are discovered to be highly active oxygen reduction reaction (ORR) active sites in alkaline that reach turnover frequencies (TOF) of 0.33 and 1.84 s−1 at 0.80 and 0.75 VRHE in the order of magnitude of tetrapyrrolic Fe–N4 sites in the acidic ORR. While Zn-coordination lowers the HOMO level and therefore the catalytic activity, Fe-coordination lifts the HOMO level resulting in TOF values of 0.4 and 4 s−1 for tetrapyrrolic Fe–N4 sites at 0.90 and 0.85 VRHE, respectively. At higher mass activities, the peroxide reduction becomes rate-limiting, where highest peroxide production rates are observed for the nitrogen-doped carbon.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:D. Menga, Jian Liang Low, Ana Guilherme Buzanich, B. Paulus, Tim-Patrick Fellinger
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Advanced Energy Materials
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.6 Elektrochemische Energiematerialien
6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.3 Strukturanalytik
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley-VCH
Jahrgang/Band:2024
Aufsatznummer:2400482
Erste Seite:1
Letzte Seite:8
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Alkaline Oxygen; Carbons; Motif; Nitrogen; Tetrapyrollic
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Wasserstoff
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202400482
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-606239
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:16.07.2024
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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