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計(jì)算文獻(xiàn)導(dǎo)讀（七）：Adv. Funct. Mater. | 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)OER催化劑的DFT計(jì)算分析

來源：科學(xué)10分鐘時間：2021-08-10 15:17:05 瀏覽：5225次

研究背景

得益于較高的催化活性以及較大的活性表面積，具有特殊結(jié)構(gòu)的超薄鈣鈦礦氧化物是一種很有前途的析氧反應(yīng)（OER）催化劑。然而，由于鈣鈦礦相的形成往往需要長時間的高溫煅燒，因此合成厚度只有幾個納米的鈣鈦礦氧化物納米片仍然是一個挑戰(zhàn)。除此之外，鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)對OER反應(yīng)活性的影響仍然有待進(jìn)一步研究。

研究成果

近日，來自清華大學(xué)深圳國際研究生院，深圳蓋姆石墨烯研究中心的李佳副教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種鹽模板法制備具有特定修飾的相結(jié)構(gòu)的LaMnO₃原子層級鈣鈦礦氧化物薄膜的方法，用作高活性O(shè)ER催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與密度泛函理論計(jì)算結(jié)果均表明制得的LaMnO₃納米片的電化學(xué)活性明顯高于正方相或六方相的基準(zhǔn)IrO₂催化劑，表現(xiàn)出約70 mV的初始過電位以及在10 mA cm^-2_disk下約324 mV的過電位。該工作為合理設(shè)計(jì)具有理想相結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦氧化物納米片提供了新的途徑。

計(jì)算分析

圖 1. LaMnO₃的電子結(jié)構(gòu)。（a）LaMnO₃電子態(tài)的劈裂；（b）o-LMONs, t-LMONs, and h-LMONs的晶體結(jié)構(gòu)；（c）PDOS與表面Mn的d帶中心。

在晶體場效應(yīng)作用下，LaMnO₃中的[MnO₆]八面體產(chǎn)生排斥馬德隆勢。Mn d軌道通常與O 2p軌道有較強(qiáng)的空間重疊，形成σ成鍵和σ*反鍵態(tài)(e_g態(tài))，而較弱的空間重疊可形成π成鍵和π*反鍵態(tài)(t_2g態(tài))，如圖1a所示。根據(jù)Sabatier原理，e_g態(tài)的占據(jù)決定了催化劑表面氧相互作用的能量。

為此，研究者們利用密度泛函理論（DFT）對如圖1b所示的正交相、正方相和六方相LaMnO₃表面進(jìn)行了研究。計(jì)算得到的不同相LaMnO₃中表面Mn的d帶中心的偏態(tài)密度如圖1c所示，o-LMONs、t-LMONs和h-LMONs的位置分別為?1.88 eV、?2.55 eV、?1.74 eV。隨著過渡金屬d帶中心向費(fèi)米能級移動，在費(fèi)米能級以上形成的未占據(jù)反鍵態(tài)的比例增加，相應(yīng)的e_g填充態(tài)也增加，這與鈣鈦礦氧化物的電催化活性e_g的填充情況一致。合理設(shè)計(jì)LMONs的特殊相結(jié)構(gòu)是調(diào)整其電子結(jié)構(gòu)以有效提高鈣鈦礦氧化物基催化劑的OER電催化活性的一種有前景的方法。

圖 2. （a）提出的OER反應(yīng)路徑；（b）-（d）o-LMONs, t-LMONs, 和h-LMONs的OER自由能變。

隨后，研究者們對o-LMONs、t-LMONs和h-LMONs的OER路徑進(jìn)行了研究，總結(jié)在如圖2中。基于先前報(bào)道的堿性介質(zhì)中4電子反應(yīng)的機(jī)理，表面吸附OH^-的過程被認(rèn)為是第一步，然后是*OH、*O和*OOH在Mn上的其他三種吸附過程，通過這四步途徑評估OER反應(yīng)。將參考電位設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)氫電極的參考電位，H⁺+e^?→1/2 H₂的自由能變化為零，定義為“計(jì)算氫電極”(CHE)。每一種含氧中間體的反應(yīng)吉布斯自由能(ΔG)都可以參照CHE通過熱力學(xué)和電位能修正來估算。

計(jì)算了三個LMONs相在零電極電位(Φ = 0 V vs RHE)、平衡電位(U = 1.23 V)以及每個中間反應(yīng)的ΔG，如圖1b、c、d所示。h-LMONs表面OH*的形成是放熱的，表明其對OH^-的吸附更有利，這與三種結(jié)構(gòu)中h-LMONs的d帶中心最高一致(圖1e)。在平衡勢下，o-LMONs和t-LMONs的O₂生成在能量上為放熱的，而所有其他步驟都是吸熱的，且OH*生成在能量上是下降的，而h-LMONs的其他步驟都是能量上升的。當(dāng)電勢U > 1.23 V時，OH*/O*的可逆電勢分別為1.90、2.00和1.47 V，O*/OOH*的可逆電勢分別為1.65、1.24和2.27 V。對于o-LMONs、t-LMONs和h-LMONs, OER中間體的自由能在1.90、2.00和2.27 V時相對于RHE都變得更負(fù)。與t-LMONs (0.77 V)和h-LMONs (1.04 V)相比，o-LMONs的過電位最低(0.67 V)，這表明o-LMONs具有優(yōu)越的OER活性，這與前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

此外，計(jì)算結(jié)果還表明，O-LMONs和t-LMONs的速率限制步驟是從OH*到O*，而h-LMONs的速率限制步驟是從O*到OOH*，這表明OER電位的決定步強(qiáng)烈依賴于鈣鈦礦氧化物催化劑的相結(jié)構(gòu)。

文章鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202102002

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