DFT study of oxygen reduction reaction on Os/pt core-shell catalysts validated by electrochemical experiment

ACS Catalysis

Volumn 5, Issue 3, 2015, Pages 1568-1580

  Tsai, Ho Cheng ^a   Hsieh, Yu Chi ^b,c   Yu, Ted H ^a,d   Lee, Yi Juei ^c   Wu, Yue Han ^c   Merinov, Boris V ^a   Wu, Pu Wei ^c   Chen, San Yuan ^c   Adzic, Radoslav R ^b   Goddard, William A ^a  

^a CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

^b BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY   (United States)

^c NATIONAL CHIAO TUNG UNIVERSITY   (Taiwan)

^d CALIFORNIA STATE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

core shell catalysts; DFT; electrocatalysis; ORR; PtOs; UPD

Indexed keywords

ADSORBATES; BINDING ENERGY; CATALYSTS; COMPUTATION THEORY; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTROCATALYSIS; ELECTROLYTIC REDUCTION; FUEL CELLS; NANOPARTICLES; OSMIUM; OXYGEN; PLATINUM; PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC); QUANTUM THEORY; REACTION KINETICS; REDUCTION; SHELLS (STRUCTURES); SUBSTITUTION REACTIONS;

CORE SHELL CATALYSTS; DFT; ORR; PTOS; UPD;

CATALYST ACTIVITY;

EID: 84924270732     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cs501020a     Document Type: Article

References (115)

1. Borup, R.; Meyers, J.; Pivovar, B.; Kim, Y. S.; Mukundan, R.; Garland, N.; Myers, D.; Wilson, M.; Garzon, F.; Wood, D.; Zelenay, P.; More, K.; Stroh, K.; Zawodzinski, T.; Boncella, J.; McGrath, J. E.; Inaba, M.; Miyatake, K.; Hori, M.; Ota, K.; Ogumi, Z.; Miyata, S.; Nishikata, A.; Siroma, Z.; Uchimoto, Y.; Yasuda, K.; Kimijima, K. I.; Iwashita, N. Chem. Rev. 2007, 107, 3904-3951 10.1021/cr050182l
2. Wang, Y.; Chen, K. S.; Mishler, J.; Cho, S. C.; Adroher, X. C. Appl. Energy 2011, 88, 981-1007 10.1016/j.apenergy.2010.09.030
3. Yasuda, K.; Taniguchi, A.; Akita, T.; Ioroi, T.; Siroma, Z. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 746-752 10.1039/b514342j
4. Eroglu, M.; Dursun, E.; Sevencan, S.; Song, J.; Yazici, S.; Kilic, O. Int. J. Hydrogen Energy 2011, 36, 7985-7992 10.1016/j.ijhydene.2011.01.046
5. Steele, B. C. H.; Heinzel, A. Nature 2001, 414, 345-352 10.1038/35104620
6. Kordesch, K.; Simader, G. Fuel Cells and Their Applications; Wiley-VCH: New York, 1996.
7. Appleby, A. J.; Foulkes, F. R. Fuel Cell Handbook; Van Nostrand Reinhold: New York, 1989.
8. OHayre, R. P.; Cha, S. W.; Colella, W.; Prinz, F. B. Fuel Cell Fundamentals; 2 nd ed.; John Wiley and Sons: New York, 2006.
9. Hammer, B.; Nørskov, J. K. Adv. Catal. 2000, 45, 71-129 10.1016/S0360-0564(02)45013-4
10. Xin, H.; Holewinski, A.; Schweitzer, N.; Nikolla, E.; Linic, S. Top. Catal. 2012, 55, 376-390 10.1007/s11244-012-9794-2
11. Xin, H.; Holewinski, A.; Linic, S. ACS Catal. 2011, 2, 12-16 10.1021/cs200462f
12. Holewinski, A.; Linic, S. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, H864-H870 10.1149/2.022211jes
13. Wei, G. F.; Fang, Y. H.; Liu, Z. P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 12696-12705 10.1021/jp3034616
14. Fang, Y. H.; Liu, Z. P. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 17508-17515 10.1021/jp205376b
15. Wei, G. F.; Liu, Z. P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 18555-18561 10.1039/c3cp53758g
16. Jacob, T.; Goddard, W. A. ChemPhysChem 2006, 7, 992-1005 10.1002/cphc.200500613
17. Keith, J. A.; Jerkiewicz, G.; Jacob, T. ChemPhysChem 2010, 11, 2779-2794 10.1002/cphc.201000286
18. Wang, B. J. Power Sources 2005, 152, 1-15 10.1016/j.jpowsour.2005.05.098
19. Bashyam, R.; Zelenay, P. Nature 2006, 443, 63-66 10.1038/nature05118
20. Othman, R.; Dicks, A. L.; Zhu, Z. Int. J. Hydrogen Energy 2012, 37, 357-372 10.1016/j.ijhydene.2011.08.095
21. Debe, M. K. Nature 2012, 486, 43-51 10.1038/nature11115
22. Yang, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 2674-2676 10.1002/anie.201005868
23. Stamenkovic, V.; Mun, B. S.; Mayrhofer, K. J. J.; Ross, P. N.; Markovic, N. M.; Rossmeisl, J.; Greeley, J.; Nørskov, J. K. Angew. Chem. 2006, 118, 2963-2967 10.1002/ange.200504386
24. Nilekar, A. U.; Xu, Y.; Zhang, J.; Vukmirovic, M. B.; Sasaki, K.; Adzic, R. R.; Mavrikakis, M. Top. Catal. 2007, 46, 276-284 10.1007/s11244-007-9001-z
25. Stamenkovic, V. R.; Fowler, B.; Mun, B. S.; Wang, G.; Ross, P. N.; Lucas, C. A.; Markovic, N. M. Science 2007, 315, 493-497 10.1126/science.1135941
26. Adzic, R. R.; Zhang, J.; Sasaki, K.; Vukmirovic, M. B.; Shao, M.; Wang, J. X.; Nilekar, A. U.; Mavrikakis, M.; Valerio, J. A.; Uribe, F. Top. Catal. 2007, 46, 249-262 10.1007/s11244-007-9003-x
27. Stamenkovic, V. R.; Mun, B. S.; Arenz, M.; Mayrhofer, K. J.; Lucas, C. A.; Wang, G.; Ross, P. N.; Markovic, N. M. Nat. Mater. 2007, 6, 241-247 10.1038/nmat1840
28. Greeley, J.; Stephens, I. E. L.; Bondarenko, A. S.; Johansson, T. P.; Hansen, H. A.; Jaramillo, T. F.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K. Nat. Chem. 2009, 1, 552-556 10.1038/nchem.367
29. Zhou, W. P.; Yang, X. F.; Vukmirovic, M. B.; Koel, B. E.; Jiao, J.; Peng, G. W.; Mavrikakis, M.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12755-12762 10.1021/ja9039746
30. Wang, J. X.; Inada, H.; Wu, L. J.; Zhu, Y. M.; Choi, Y. M.; Liu, P.; Zhou, W. P.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17298-17302 10.1021/ja9067645
31. Gong, K. P.; Su, D.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14364-14366 10.1021/ja1063873
32. Sasaki, K.; Wang, J. X.; Naohara, H.; Marinkovic, N.; More, K.; Inada, H.; Adzic, R. R. Electrochim. Acta 2010, 55, 2645-2652 10.1016/j.electacta.2009.11.106
33. Knupp, S. L.; Vukmirovic, M. B.; Haldar, P.; Herron, J. A.; Mavrikakis, M.; Adzic, R. R. Electrocatal. 2010, 1, 213-223 10.1007/s12678-010-0028-8
34. Sasaki, K.; Naohara, H.; Cai, Y.; Choi, Y. M.; Liu, P.; Vukmirovic, M. B.; Wang, J. X.; Adzic, R. R. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2010, 49, 8602-8607 10.1002/anie.201004287
35. Bing, Y.; Liu, H.; Zhang, L.; Ghosh, D.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 2184-2202 10.1039/b912552c
36. Yu, T. H.; Sha, Y.; Merinov, B. V.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 11527-11533 10.1021/jp1024735
37. Sha, Y.; Yu, T. H.; Merinov, B. V.; Shirvanian, P.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. C 2012, 116, 21334-21342 10.1021/jp303966u
38. Adzic, R. R. Electrocatal. 2012, 3, 163-169 10.1007/s12678-012-0112-3
39. Yang, L.; Vukmirovic, M. B.; Su, D.; Sasaki, K.; Herron, J. A.; Mavrikakis, M.; Liao, S.; Adzic, R. R. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 1748-1753 10.1021/jp309990e
40. Brimaud, S.; Engstfeld, A.; Alves, O.; Hoster, H.; Behm, R. Top. Catal. 2014, 57, 222-235 10.1007/s11244-013-0177-0
41. Friebel, D.; Viswanathan, V.; Miller, D. J.; Anniyev, T.; Ogasawara, H.; Larsen, A. H.; OGrady, C. P.; Nørskov, J. K.; Nilsson, A. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9664-9671 10.1021/ja3003765
42. Jackson, A.; Viswanathan, V.; Forman, A. J.; Larsen, A. H.; Nørskov, J. K.; Jaramillo, T. F. ChemElectroChem. 2014, 1, 67-71 10.1002/celc.201300117
43. Colon-Mercado, H. R.; Popov, B. N. J. Power Sources 2006, 155, 253-263 10.1016/j.jpowsour.2005.05.011
44. Colon-Mercado, H. R.; Kim, H.; Popov, B. N. Electrochem. Commun. 2004, 6, 795-799 10.1016/j.elecom.2004.05.028
45. Maillard, F.; Dubau, L.; Durst, J.; Chatenet, M.; André, J.; Rossinot, E. Electrochem. Commun. 2010, 12, 1161-1164 10.1016/j.elecom.2010.06.007
46. Chen, S.; Ferreira, P. J.; Sheng, W. C.; Yabuuchi, N.; Allard, L. F.; Shao-Horn, Y. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13818-13819 10.1021/ja802513y
47. Watanabe, M.; Tsurumi, K.; Mizukami, T.; Nakamura, T.; Stonehart, P. J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 2659-2668 10.1149/1.2059162
48. Antolini, E.; Salgado, J. R. C.; Gonzalez, E. R. J. Power Sources 2006, 160, 957-968 10.1016/j.jpowsour.2006.03.006
49. Wakabayashi, N.; Takeichi, M.; Uchida, H.; Watanabe, M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 5836-5841 10.1021/jp046204+
50. Ma, Y. G.; Balbuena, P. B. Surf. Sci. 2008, 602, 107-113 10.1016/j.susc.2007.09.052
51. Chen, W.; Schneider, W. F.; Wolverton, C. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 8342-8349 10.1021/jp410607k
52. Tsai, H. C.; Yu, T. H.; Sha, Y.; Merinov, B. V.; Wu, P. W.; Chen, S. Y.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. C 2014, 118, 26703-26712 10.1021/jp507103c
53. Wei, G. F.; Liu, Z. P. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1268-1272 10.1039/c0ee00762e
54. Mayrhofer, K. J.; Arenz, M. Nat. Chem. 2009, 1, 518-519 10.1038/nchem.380
55. Hwang, S. J.; Kim, S. K.; Lee, J. G.; Lee, S. C.; Jang, J. H.; Kim, P.; Lim, T. H.; Sung, Y. E.; Yoo, S. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19508-19511 10.1021/ja307951y
56. Dai, Y.; Ou, L.; Liang, W.; Yang, F.; Liu, Y.; Chen, S. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2162-2168 10.1021/jp109975s
57. Brushett, F. R.; Duong, H. T.; Ng, J. W.; Behrens, R. L.; Wieckowski, A.; Kenis, P. J. A. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B837-B845 10.1149/1.3368721
58. Nishimura, T.; Morikawa, T.; Yokoi, M.; Iwakura, C.; Inoue, H. Electrochim. Acta 2008, 54, 499-505 10.1016/j.electacta.2008.07.026
59. Johansson, T. P.; Ulrikkeholm, E. T.; Hernandez-Fernandez, P.; Malacrida, P.; Hansen, H. A.; Bandarenka, A. S.; Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Stephens, I. E. L.; Chorkendorff, I. Top. Catal. 2014, 57, 245-254 10.1007/s11244-013-0179-y
60. Ley, K. L.; Liu, R. X.; Pu, C.; Fan, Q. B.; Leyarovska, N.; Segre, C.; Smotkin, E. S. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1543-1548 10.1149/1.1837638
61. Kua, J.; Goddard, W. A., III J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 10928-10941 10.1021/ja9844074
62. Gurau, B.; Viswanathan, R.; Liu, R. X.; Lafrenz, T. J.; Ley, K. L.; Smotkin, E. S.; Reddington, E.; Sapienza, A.; Chan, B. C.; Mallouk, T. E.; Sarangapani, S. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 9997-10003 10.1021/jp982887f
63. Crown, A.; Moraes, I. R.; Wieckowski, A. J. Electroanal. Chem. 2001, 500, 333-343 10.1016/S0022-0728(00)00450-2
64. Huang, J. J.; Yang, H.; Huang, Q. H.; Tang, Y. W.; Lu, T. H.; Akins, D. L. J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A1810-A1815 10.1149/1.1804257
65. Santos, V. P.; Del Colle, V.; Bezerra, R. M.; Tremiliosi-Filho, G. Electrochim. Acta 2004, 49, 1221-1231 10.1016/j.electacta.2003.09.047
66. Liu, W.; Huang, J. J. Power Sources 2009, 189, 1012-1015 10.1016/j.jpowsour.2008.12.080
67. Zhang, J. L.; Vukmirovic, M. B.; Sasaki, K.; Nilekar, A. U.; Mavrikakis, M.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12480-12481 10.1021/ja053695i
68. Lee, Y. J.; Hsieh, Y. C.; Tsai, H. C.; Lu, I. T.; Wu, Y. H.; Yu, T. H.; Merinov, B. V.; Goddard, W. A., III; Wu, P. W. Appl. Catal., B 2014, 150-151, 636-646 10.1016/j.apcatb.2014.01.004
69. Fernandes, A. C.; Paganin, V. A.; Ticianelli, E. A. J. Electroanal. Chem. 2010, 648, 156-162 10.1016/j.jelechem.2010.07.013
70. Chen, S.; Gasteiger, H. A.; Hayakawa, K.; Tada, T.; Shao-Horn, Y. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A82-A97 10.1149/1.3258275
71. Ma, Y.; Balbuena, P. B. Surf. Sci. 2009, 603, 349-353 10.1016/j.susc.2008.11.036
72. Brankovic, S. R.; Wang, J. X.; Adzic, R. R. Surf. Sci. 2001, 474, L173-L179 10.1016/S0039-6028(00)01103-1
73. Herrero, E.; Buller, L. J.; Abruna, H. D. Chem. Rev. 2001, 101, 1897-1930 10.1021/cr9600363
74. Zhang, J.; Mo, Y.; Vukmirovic, M. B.; Klie, R.; Sasaki, K.; Adzic, R. R. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 10955-10964 10.1021/jp0379953
75. Zhang, J.; Lima, F. H. B.; Shao, M. H.; Sasaki, K.; Wang, J. X.; Hanson, J.; Adzic, R. R. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 22701-22704 10.1021/jp055634c
76. Zhang, J.; Vukmirovic, M. B.; Xu, Y.; Mavrikakis, M.; Adzic, R. R. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2005, 44, 2132-2135 10.1002/anie.200462335
77. Zhang, J.; Sasaki, K.; Sutter, E.; Adzic, R. R. Science 2007, 315, 220-222 10.1126/science.1134569
78. Schultz, P. SeqQuest, Electronic Structure Code; Sandia National Laboratory: Albuquerque, NM. http://dft.sandia.gov/Quest/.
79. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868 10.1103/PhysRevLett.77.3865
80. Ceperley, D. M.; Alder, B. J. Phys. Rev. Lett. 1980, 45, 566-569 10.1103/PhysRevLett.45.566
81. Perdew, J. P.; Zunger, A. Phys. Rev. B 1981, 23, 5048-5079 10.1103/PhysRevB.23.5048
82. Goddard, W. A., III Phys. Rev. 1968, 174, 659-662 10.1103/PhysRev.174.659
83. Melius, C. F.; Goddard, W. A., III Phys. Rev. A 1974, 10, 1528-1540 10.1103/PhysRevA.10.1528
84. Melius, C. F.; Olafson, B. D.; Goddard, W. A., III Chem. Phys. Lett. 1974, 28, 457-462 10.1016/0009-2614(74)80079-5
85. Redondo, A.; Goddard, W. A., III; McGill, T. C. Phys. Rev. B 1977, 15, 5038-5048 10.1103/PhysRevB.15.5038
86. Hamann, D. R. Phys. Rev. B 1989, 40, 2980-2987 10.1103/PhysRevB.40.2980
87. Mills, G.; Jonsson, H.; Schenter, G. K. Surf. Sci. 1995, 324, 305-337 10.1016/0039-6028(94)00731-4
88. Mills, G.; Jonsson, H. Phys. Rev. Lett. 1994, 72, 1124-1127 10.1103/PhysRevLett.72.1124
89. Sha, Y.; Yu, T. H.; Liu, Y.; Merinov, B. V.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 856-861 10.1021/jz9003153
90. Holst, M.; Saied, F. J. Comput. Chem. 1993, 14, 105-113 10.1002/jcc.540140114
91. Holst, M. J.; Saied, F. J. Comput. Chem. 1995, 16, 337-364 10.1002/jcc.540160308
92. Baker, N. A.; Sept, D.; Joseph, S.; Holst, M. J.; McCammon, J. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98, 10037-10041 10.1073/pnas.181342398
93. Hsieh, Y. C.; Zhang, Y.; Su, D.; Volkov, V.; Si, R.; Wu, L. J.; Zhu, Y. M.; An, W.; Liu, P.; He, P.; Ye, S. Y.; Adzic, R. R.; Wang, J. X. Nat. Commun. 2013, 4, Article no. 2466 10.1038/ncomms3466
94. Sha, Y.; Yu, T. H.; Merinov, B. V.; Shirvanian, P.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 572-576 10.1021/jz101753e
95. Tripkovic, V.; Skulason, E.; Siahrostami, S.; Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J. Electrochim. Acta 2010, 55, 7975-7981 10.1016/j.electacta.2010.02.056
96. Anderson, A. B.; Sidik, R. A.; Narayanasamy, J.; Shiller, P. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4618-4623 10.1021/jp0271099
97. Hirota, K.; Song, M. B.; Ito, M. Chem. Phys. Lett. 1996, 250, 335-341 10.1016/0009-2614(96)00022-X
98. Yu, T. H.; Hofmann, T.; Sha, Y.; Merinov, B. V.; Myers, D. J.; Heske, C.; Goddard, W. A., III J. Phys. Chem. C 2013, 117, 26598-26607 10.1021/jp4071554
99. Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jonsson, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886-17892 10.1021/jp047349j
100. Karlberg, G.; Rossmeisl, J.; Nørskov, J. K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5158-5161 10.1039/b705938h
101. Viswanathan, V.; Hansen, H. A.; Rossmeisl, J.; Nørskov, J. K. ACS Catal. 2012, 2, 1654-1660 10.1021/cs300227s
102. Mavrikakis, M.; Hammer, B.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 2819-2822 10.1103/PhysRevLett.81.2819
103. Schlapka, A.; Lischka, M.; Groß, A.; Kasberger, U.; Jakob, P. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 016101 10.1103/PhysRevLett.91.016101
104. Kitchin, J. R.; Nørskov, J. K.; Barteau, M. A.; Chen, J. G. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 156801 10.1103/PhysRevLett.93.156801
105. Garcia-Gutierrez, D.; Gutierrez-Wing, C.; Miki-Yoshida, M.; Jose-Yacaman, M. Appl. Phys. A-Mater. 2004, 79, 481-487 10.1007/s00339-004-2600-7
106. Liu, C. P.; Twesten, R. D.; Gibson, J. M. Ultramicroscopy 2001, 87, 79-88 10.1016/S0304-3991(00)00059-0
107. van der Vliet, D. F.; Wang, C.; Li, D.; Paulikas, A. P.; Greeley, J.; Rankin, R. B.; Strmcnik, D.; Tripkovic, D.; Markovic, N. M.; Stamenkovic, V. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 3139-3142 10.1002/anie.201107668
108. Vukmirovic, M. B.; Bliznakov, S. T.; Sasaki, K.; Wang, J. X.; Adzic, R. R. ECS Interface 2011, 20, 33-40
109. Price, S. W.; Rhodes, J. M.; Calvillo, L.; Russell, A. E. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 24858-24865 10.1021/jp408493q
110. Price, S. W.; Speed, J. D.; Kannan, P.; Russell, A. E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19448-19458 10.1021/ja206763e
111. Gokcen, D.; Bae, S. E.; Brankovic, S. R. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, D582-587 10.1149/1.3490416
112. Lee, H. P.; Nobe, K. J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 2035-2043 10.1149/1.2108335
113. Paulus, U. A.; Schmidt, T. J.; Gasteiger, H. A.; Behm, R. J. J. Electroanal. Chem. 2001, 495, 134-145 10.1016/S0022-0728(00)00407-1
114. Paulus, U. A.; Wokaun, A.; Scherer, G. G.; Schmidt, T. J.; Stamenkovic, V.; Radmilovic, V.; Markovic, N. M.; Ross, P. N. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 4181-4191 10.1021/jp013442l
115. Chen, S.; Sheng, W. C.; Yabuuchi, N.; Ferreira, P. J.; Allard, L. F.; Shao-Horn, Y. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1109-1125 10.1021/jp807143e