Design and Theoretical Calculation of Heteroatoms Doped Graphdiyne Towards Efficiently Catalyzing Oxygen Reduction and Evolution Reactions

doi:10.7503/cjcu20200332

Abstract

Abstract:

In the process of clean and renewable energy conversion， oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction demand highly efficient electrocatalysts to overcome their kinetic bottlenecks. Herein， a series of metal-free graphdiyne doped with heteroatoms was designed for promoting these key chemical reactions. To evaluate electrocatalytic performance， the reaction pathways and free energies were investigated systematically with the density functional theory（DFT）. The calculations indicated that the dopants can optimize the adsorption of intermediates， lowering the overpotential of the reactions. Particularly， an intrinsic descriptor was identified to correlate the catalytic properties with catalyst structures， from which rapid screening could be made for the development of new catalysts. The results may provide guidance for the construction of carbon-based catalysts in clean energy technologies（such as fuel cells， metal-air batteries， electrolyzing water and so on）.

Key words: Oxygen reduction reaction, Oxygen evolution reaction, Heteroatoms doping graphdiyne, Descriptor, Density functional theory

CLC Number:

O641

TrendMD:

MA Jun, ZHONG Yang, ZHANG Shanshan, HUANG Yijun, ZHANG Lipeng, LI Yaping, SUN Xiaoming, XIA Zhenhai. Design and Theoretical Calculation of Heteroatoms Doped Graphdiyne Towards Efficiently Catalyzing Oxygen Reduction and Evolution Reactions[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 624.

Figures/Tables 4

Fig.1 Cohesion energies of different heteroatoms?doped graphdiyneThe “×” means that this structure cannot exist stably.

Fig.2 Free energy diagrams for ORR(A) and OER(B) of GDY at different electrode potential U, and ORR(C) and OER(D) of a series of doped GDY(U=0 V)

Fig.3 Relationship between HOO* and HO* adsorption free energies of doped GDY structures at different sites

Fig.4 ORR(A) and OER(B) overpotentials versus adsorption free energies ΔGHO* and ΔGO* - ΔGHO* and ORR(C) and OER(D) minimum overpotentials versus the intrinsic descriptor

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