氧还原反应（ORR）对于各种可再生能源技术至关重要。 ORR 的一个重要催化剂是嵌入氮掺杂石墨烯 (Fe−N−C) 中的单个铁原子。然而，Fe−N−C 上 ORR 的限速步骤是未知的，这极大地阻碍了理解和改进。

在这里，德克萨斯大学奥斯汀分校Yuanyue Liu报道了所有步骤的活化能，这些活化能是在恒定电极电势下通过从头算分子动力学模拟计算得出的。

文章要点

1）与氢化步骤限制反应速率的普遍观点相反，研究发现限速步骤是氧分子取代 Fe 上的吸附水。这是通过 H₂O 解吸和 O₂ 吸附的协同运动而发生的，而不会留下裸露的位置。

2）有趣的是，尽管这是一个通常被认为与电势无关的明显“热”过程，但势垒随着电极电势的变化而降低。这可以用较低电势下较强的 Fe−O₂ 结合和较弱的 Fe−H₂O 结合来解释，因为 O₂ 获得电子而 H₂O 向催化剂提供电子。

该研究为 Fe−N−C 上的 ORR 提供了新的见解，并强调了动力学研究在异质电化学中的重要性。

参考文献

Saerom Yu, et al, What Is the Rate-Limiting Step of Oxygen Reduction Reaction on Fe−N−C Catalysts? J. Am. Chem. Soc., 2023

DOI: 10.1021/jacs.3c09193

https://doi.org/10.1021/jacs.3c09193