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Transition metal-N4 embedded black phosphorus carbide as a high-performance bifunctional electrocatalyst for ORR/OER.
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2020-08-05 , DOI: 10.1039/d0nr03339a Dachang Chen 1 , Zhiwen Chen 2 , Zhuole Lu 2 , Xiaoxing Zhang 3 , Ju Tang 4 , Chandra Veer Singh 5
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2020-08-05 , DOI: 10.1039/d0nr03339a Dachang Chen 1 , Zhiwen Chen 2 , Zhuole Lu 2 , Xiaoxing Zhang 3 , Ju Tang 4 , Chandra Veer Singh 5
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Designing highly active electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) is an important challenge in energy conversion and storage technology. In this work, based on computational screening over doping of 23 kinds of transition metals (TMs), we use first-principles study to explore the ORR and OER activity of TM–N4 embedded black phosphorus carbide monolayer (b-PC). The results show that its catalytic performance highly depends on the number of electrons in the d orbital and the number of valence electrons of introduced TM atom. Moreover, we found that Co–N4–bPC (ηORR = 0.31 V; ηOER = 0.22 V), Rh–N4–bPC (ηORR = 0.33 V; ηOER = 0.62 V), and Ir–N4–bPC (ηORR = 0.21 V; ηOER = 0.21 V) can be promising candidates as bifunctional catalysts for both the ORR and OER and can be comparable or superior to TM–N4–graphene in terms of overpotential. They experience no structural distortion at 500 K. Moreover, the exfoliation energy of b-PC is lower than that of graphene, and these three promising candidates show much lower formation energy than TM–N4–graphene. Our study provides a systematical method for designing and developing high performance 2D material-based single atom catalysts (SACs) beyond graphene.
中文翻译：
过渡金属-N4嵌入的黑色碳化磷作为ORR / OER的高性能双功能电催化剂。
设计用于氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的高活性电催化剂是能量转换和存储技术中的重要挑战。在这项工作中，基于对23种过渡金属（TM）的掺杂的计算筛选，我们使用第一性原理研究来探索TM–N 4嵌入的黑碳化硅单层（b-PC）的ORR和OER活性。结果表明，其催化性能在很大程度上取决于d轨道中的电子数和引入的TM原子的价电子数。此外，我们发现，CO-N 4 -bpc（η ORR = 0.31 V; η OER = 0.22 V），铑-N 4 -bpc（η ORR= 0.33 V; η OER = 0.62 V），和Ir-N 4 -bpc（η ORR = 0.21 V; η OER = 0.21 V）可以是希望的候选作为ORR和OER两个双官能催化剂，并且可以是相当于或优于TM-N 4 –石墨烯的过电位。它们在500 K时不会发生结构变形。此外，b-PC的剥落能比石墨烯低，这三个有希望的候选物显示出比TM–N 4 –石墨烯低的形成能。我们的研究为石墨烯以外的高性能2D材料基单原子催化剂（SAC）的设计和开发提供了系统的方法。
更新日期：2020-09-24
中文翻译：
过渡金属-N4嵌入的黑色碳化磷作为ORR / OER的高性能双功能电催化剂。
设计用于氧还原反应（ORR）和氧释放反应（OER）的高活性电催化剂是能量转换和存储技术中的重要挑战。在这项工作中，基于对23种过渡金属（TM）的掺杂的计算筛选，我们使用第一性原理研究来探索TM–N 4嵌入的黑碳化硅单层（b-PC）的ORR和OER活性。结果表明，其催化性能在很大程度上取决于d轨道中的电子数和引入的TM原子的价电子数。此外，我们发现，CO-N 4 -bpc（η ORR = 0.31 V; η OER = 0.22 V），铑-N 4 -bpc（η ORR= 0.33 V; η OER = 0.62 V），和Ir-N 4 -bpc（η ORR = 0.21 V; η OER = 0.21 V）可以是希望的候选作为ORR和OER两个双官能催化剂，并且可以是相当于或优于TM-N 4 –石墨烯的过电位。它们在500 K时不会发生结构变形。此外，b-PC的剥落能比石墨烯低，这三个有希望的候选物显示出比TM–N 4 –石墨烯低的形成能。我们的研究为石墨烯以外的高性能2D材料基单原子催化剂（SAC）的设计和开发提供了系统的方法。
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