Possible oxygen reduction reactions for graphene edges from first principles

第一原理からのグラフェン端での可能な酸素還元反応

池田 隆司; Hou, Z.*; Chai, G.-L.*; 寺倉 清之*

Ikeda, Takashi; Hou, Z.*; Chai, G.-L.*; Terakura, Kiyoyuki*

窒素をドープした炭素ベースのナノ材料が固体高分子形燃料電池の非白金電極触媒として非常に興味がもたれている。この研究では、第一原理計算に基づいたシミュレーションにより窒素をドープしたグラフェン端が電子供与性・受容性、および塩基性を制御することにより高い酸素還元活性を示し、これらの制御により酸性条件下でそれぞれ内圏型と外圏型電子移動による高い4電子還元選択性をもつことを示した。我々のシミュレーションからジグザグ端でカルボニル酸素の隣にピリジン様窒素が存在する場合に2電子還元が選択的に起きることもわかった。この研究により酸素還元反応に対するグラフェン状物質にドープされた窒素の役割が明らかとなった。

N-doped carbon-based nanomaterials are attracting a great interest as promising Pt-free electrode catalysts for polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). In this computational study, we demonstrate that N-doped graphene edges can exhibit enhanced catalytic activity toward oxygen reduction reactions by controlling their electron-donating and -withdrawing abilities, and basicity, resulting in higher selectivity of 4e reduction via inner and outer sphere electron transfer at edges in acidic conditions, respectively. Our simulations also show that 2e reduction occurs selectively in the presence of pyridinic N next to carbonyl O at zigzag edges. This study thus rationalizes the roles of doped N in graphenelike materials for oxygen reduction reactions.