Theoretical Study of B， N Co-doped Fullerene C70 as Non-metal Electrocatalysts for Oxygen Reduction and Evolution

doi:10.7503/cjcu20240490

Abstract

Abstract:

The oxygen reduction reaction（ORR） and oxygen evolution reaction（OER） properties for B， N co-doped fullerene C₇₀［C₆₈B（n）N（m）， n， m=1—5， representing the C atom sites substituted by B and N， respectively］ were investigated utilizing density functional theory. It is found that C₆₈B（n）N（m） are thermodynamically stable， and their ΔG_*OH has a good linear relationship with ΔG_*OOH and ΔG_*O. Wherein， the ORR overpotential for C₆₈B（4）N（2） and C₆₈B（5）N（2） catalysts are both 0.45 V， which is equivalent to that of commercial Pt catalyst. The OER overpotential of C₆₈B（4）N（1） is the lowest， 0.38 V， which is better than that of the traditional RuO₂ catalyst（0.42 V）. C₆₈B（1）N（3） also shows the OER activity equivalent to that of RuO₂. The overpotential of ORR and OER can be significantly reduced and the catalytic performance of C₇₀ can be improved by accurately adjusting the sites of B and N co-doping. According to the activity trend plots， the best ORR and OER activities for C₆₈B（n）N（m） appear at ΔG_*O-ΔG_*OH=0.92 eV and ΔG_*O-ΔG_*OH=1.42 eV， respectively. This work provides some clues for the design and discovery of novel non-metallic carbon-based electrocatalysts.

Key words: Non-metal electrocatalyst, Oxygen reduction reaction, Oxygen evolution reaction, Density functional theory

CLC Number:

O641

TrendMD:

YANG Siwei, HUANG Xuri. Theoretical Study of B， N Co-doped Fullerene C₇₀ as Non-metal Electrocatalysts for Oxygen Reduction and Evolution[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(4): 20240490.

Figures/Tables 9

Table 1 Adsorption free energies of *OOH， *O and *OH

System	ΔG_*OOH/eV	ΔG_*O/eV	ΔG_*OH/eV	System	ΔG_*OOH/eV	ΔG_*O/eV	ΔG_*OH/eV
C₆₈B（1）N（2）	3.27	-0.01	0.16	C₆₈B（3）N（4）	4.37	2.00	1.40
C₆₈B（1）N（3）	3.61	1.95	0.68	C₆₈B（3）N（5）	4.18	1.25	1.26
C₆₈B（1）N（4）	4.40	1.94	1.44	C₆₈B（4）N（1）	3.58	1.97	0.55
C₆₈B（1）N（5）	4.25	1.79	1.31	C₆₈B（4）N（2）	3.74	1.57	0.78
C₆₈B（2）N（1）	3.20	0	0.08	C₆₈B（4）N（3）	3.74	1.90	0.73
C₆₈B（2）N（3）	3.85	1.28	0.90	C₆₈B（4）N（5）	2.98	0.22	-0.01
C₆₈B（2）N（4）	4.52	1.97	1.59	C₆₈B（5）N（1）	3.65	1.44	0.71
C₆₈B（2）N（5）	4.32	1.99	1.35	C₆₈B（5）N（2）	3.73	1.85	0.78
C₆₈B（3）N（1）	4.07	1.53	1.10	C₆₈B（5）N（3）	4.30	1.62	1.22
C₆₈B（3）N（2）	3.79	1.13	0.78	C₆₈B（5）N（4）	4.19	1.44	1.24

Table 2 Free energy changes of each elementary step(ΔG1， ΔG2， ΔG3 and ΔG4) in ORR on C68B(n)N(m)and the overpotential of ORR and OER (ηORR and ηOER)

System	ΔG₁/eV	ΔG₂/eV	ΔG₃/eV	ΔG₄/eV	η_ORR/V	η_OER/V	U $L O R R$ /V	U $L O E R$ /V
C₆₈B（1）N（2）	-1.65	-3.28	0.17	-0.16	1.40	2.05	-0.17	3.28
C₆₈B（1）N（3）	-1.31	-1.66	-1.27	-0.68	0.55	0.43	0.68	1.66
C₆₈B（1）N（4）	-0.52	-2.46	-0.50	-1.44	0.73	1.23	0.50	2.46
C₆₈B（1）N（5）	-0.67	-2.46	-0.48	-1.31	0.75	1.23	0.48	2.46
C₆₈B（2）N（1）	-1.72	-3.20	0.08	-0.08	1.31	1.97	-0.08	3.20
C₆₈B（2）N（3）	-1.07	-2.57	-0.38	-0.90	0.85	1.34	0.38	2.57
C₆₈B（2）N（4）	-0.40	-2.55	-0.38	-1.59	0.85	1.32	0.38	2.55
C₆₈B（2）N（5）	-0.60	-2.33	-0.64	-1.35	0.63	1.10	0.60	2.33
C₆₈B（3）N（1）	-0.85	-2.54	-0.43	-1.10	0.80	1.31	0.43	2.54
C₆₈B（3）N（2）	-1.13	-2.66	-0.35	-0.78	0.88	1.43	0.35	2.66
C₆₈B（3）N（4）	-0.55	-2.37	-0.60	-1.40	0.68	1.14	0.55	2.37
C₆₈B（3）N（5）	-0.74	-2.93	0.01	-1.26	1.24	1.70	-0.01	2.93
C₆₈B（4）N（1）	-1.34	-1.61	-1.42	-0.55	0.68	0.38	0.55	1.61
C₆₈B（4）N（2）	-1.18	-2.17	-0.79	-0.78	0.45	0.94	0.78	2.17
C₆₈B（4）N（3）	-1.18	-1.84	-1.17	-0.73	0.50	0.61	0.73	1.84
C₆₈B（4）N（5）	-1.94	-2.76	-0.23	0.01	1.24	1.53	-0.01	2.76
C₆₈B（5）N（1）	-1.27	-2.21	-0.73	-0.71	0.52	0.98	0.71	2.21
C₆₈B（5）N（2）	-1.19	-1.88	-1.07	-0.78	0.45	0.65	0.78	1.88
C₆₈B（5）N（3）	-0.62	-2.68	-0.40	-1.22	0.83	1.45	0.40	2.68
C₆₈B（5）N（4）	-0.73	-2.75	-0.20	-1.24	1.03	1.52	0.20	2.75

Table 2 Free energy changes of each elementary step(ΔG1， ΔG2， ΔG3 and ΔG4) in ORR on C68B(n)N(m)and the overpotential of ORR and OER (ηORR and ηOER)

System	ΔG₁/eV	ΔG₂/eV	ΔG₃/eV	ΔG₄/eV	η_ORR/V	η_OER/V	U $L O R R$ /V	U $L O E R$ /V
C₆₈B（1）N（2）	-1.65	-3.28	0.17	-0.16	1.40	2.05	-0.17	3.28
C₆₈B（1）N（3）	-1.31	-1.66	-1.27	-0.68	0.55	0.43	0.68	1.66
C₆₈B（1）N（4）	-0.52	-2.46	-0.50	-1.44	0.73	1.23	0.50	2.46
C₆₈B（1）N（5）	-0.67	-2.46	-0.48	-1.31	0.75	1.23	0.48	2.46
C₆₈B（2）N（1）	-1.72	-3.20	0.08	-0.08	1.31	1.97	-0.08	3.20
C₆₈B（2）N（3）	-1.07	-2.57	-0.38	-0.90	0.85	1.34	0.38	2.57
C₆₈B（2）N（4）	-0.40	-2.55	-0.38	-1.59	0.85	1.32	0.38	2.55
C₆₈B（2）N（5）	-0.60	-2.33	-0.64	-1.35	0.63	1.10	0.60	2.33
C₆₈B（3）N（1）	-0.85	-2.54	-0.43	-1.10	0.80	1.31	0.43	2.54
C₆₈B（3）N（2）	-1.13	-2.66	-0.35	-0.78	0.88	1.43	0.35	2.66
C₆₈B（3）N（4）	-0.55	-2.37	-0.60	-1.40	0.68	1.14	0.55	2.37
C₆₈B（3）N（5）	-0.74	-2.93	0.01	-1.26	1.24	1.70	-0.01	2.93
C₆₈B（4）N（1）	-1.34	-1.61	-1.42	-0.55	0.68	0.38	0.55	1.61
C₆₈B（4）N（2）	-1.18	-2.17	-0.79	-0.78	0.45	0.94	0.78	2.17
C₆₈B（4）N（3）	-1.18	-1.84	-1.17	-0.73	0.50	0.61	0.73	1.84
C₆₈B（4）N（5）	-1.94	-2.76	-0.23	0.01	1.24	1.53	-0.01	2.76
C₆₈B（5）N（1）	-1.27	-2.21	-0.73	-0.71	0.52	0.98	0.71	2.21
C₆₈B（5）N（2）	-1.19	-1.88	-1.07	-0.78	0.45	0.65	0.78	1.88
C₆₈B（5）N（3）	-0.62	-2.68	-0.40	-1.22	0.83	1.45	0.40	2.68
C₆₈B（5）N（4）	-0.73	-2.75	-0.20	-1.24	1.03	1.52	0.20	2.75

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Theoretical Study of B， N Co-doped Fullerene C₇₀ as Non-metal Electrocatalysts for Oxygen Reduction and Evolution

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Figures/Tables 9

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