Computational Insights into Oxygen Reduction Reaction and Initial Li2O2 Nucleation on Pristine and N-Doped Graphene in Li-O2 Batteries

ACS Catalysis

Volumn 5, Issue 7, 2015, Pages 4309-4317

  Jing, Yu ^a   Zhou, Zhen ^a  

^a NANKAI UNIVERSITY   (China)

Author keywords

air cathodes; Li O2 batteries; Li2O2; N doped graphene; ORR

Indexed keywords

CATHODES; COMPUTATION THEORY; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; DOPING (ADDITIVES); ELECTRIC BATTERIES; ELECTRODES; ELECTROLYTIC REDUCTION; GRAPHENE; LITHIUM BATTERIES; NUCLEATION; REDUCTION;

AIR CATHODE; CLUSTER GROWTH; DESIGN AND OPTIMIZATION; N-DOPED; NUCLEATION PROCESS; ORR; OXYGEN REDUCTION REACTION; RATE-CONTROLLING STEPS;

LITHIUM;

EID: 84941663830     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acscatal.5b00332     Document Type: Article

References (68)

1. Abraham, K.; Jiang, Z. J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 1-5 10.1149/1.1836378
2. Li, F.; Kitaura, H.; Zhou, H. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2302-2311 10.1039/c3ee40702k
3. Li, F.; Zhang, T.; Zhou, H. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1125-1141 10.1039/c3ee00053b
4. Shao, Y.; Ding, F.; Xiao, J.; Zhang, J.; Xu, W.; Park, S.; Zhang, J. G.; Wang, Y.; Liu, J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 987-1004 10.1002/adfm.201200688
5. Cheng, F.; Chen, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 2172-2192 10.1039/c1cs15228a
6. Lim, H.-D.; Song, H.; Gwon, H.; Park, K.-Y.; Kim, J.; Bae, Y.; Kim, H.; Jung, S.-K.; Kim, T.; Kim, Y. H. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3570-3575 10.1039/c3ee41910j
7. Lu, Y.-C.; Xu, Z.; Gasteiger, H. A.; Chen, S.; Hamad-Schifferli, K.; Shao-Horn, Y. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12170-12171 10.1021/ja1036572
8. Peng, Z.; Freunberger, S. A.; Chen, Y.; Bruce, P. G. Science 2012, 337, 563-566 10.1126/science.1223985
9. Li, F.; Tang, D.-M.; Chen, Y.; Golberg, D.; Kitaura, H.; Zhang, T.; Yamada, A.; Zhou, H. Nano Lett. 2013, 13, 4702-4707 10.1021/nl402213h
10. Jung, H.-G.; Jeong, Y. S.; Park, J.-B.; Sun, Y.-K.; Scrosati, B.; Lee, Y. J. ACS Nano 2013, 7, 3532-3539 10.1021/nn400477d
11. Débart, A.; Paterson, A. J.; Bao, J.; Bruce, P. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 4521-4524 10.1002/anie.200705648
12. Débart, A.; Bao, J.; Armstrong, G.; Bruce, P. G. J. Power Sources 2007, 174, 1177-1182 10.1016/j.jpowsour.2007.06.180
13. Yu, Y.; Zhang, B.; He, Y.-B.; Huang, Z.-D.; Oh, S.-W.; Kim, J.-K. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 1163-1170 10.1039/C2TA00426G
14. Li, Q.; Xu, P.; Zhang, B.; Tsai, H.; Wang, J.; Wang, H.-L.; Wu, G. Chem. Commun. 2013, 49, 10838-10840 10.1039/c3cc46441e
15. Zhang, H.; Qiao, H.; Wang, H.; Zhou, N.; Chen, J.; Tang, Y.; Li, J.; Huang, C. Nanoscale 2014, 6, 10235-10242 10.1039/C4NR02125H
16. Sun, C.; Li, F.; Ma, C.; Wang, Y.; Ren, Y.; Yang, W.; Ma, Z.; Li, J.; Chen, Y.; Kim, Y. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 7188-7196 10.1039/c4ta00802b
17. Cui, Y.; Wen, Z.; Liu, Y. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 4727-4734 10.1039/c1ee02365a
18. Black, R.; Lee, J. H.; Adams, B.; Mims, C. A.; Nazar, L. F. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 392-396 10.1002/anie.201205354
19. Gallant, B. M.; Mitchell, R. R.; Kwabi, D. G.; Zhou, J.; Zuin, L.; Thompson, C. V.; Shao-Horn, Y. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 20800-20805 10.1021/jp308093b
20. Yang, Z.; Yao, Z.; Li, G.; Fang, G.; Nie, H.; Liu, Z.; Zhou, X.; Chen, X.; Huang, S. ACS Nano 2011, 6, 205-211 10.1021/nn203393d
21. Yoo, E.; Zhou, H. ACS Nano 2011, 5, 3020-3026 10.1021/nn200084u
22. Jung, H.-G.; Hassoun, J.; Park, J.-B.; Sun, Y.-K.; Scrosati, B. Nat. Chem. 2012, 4, 579-585 10.1038/nchem.1376
23. Kong, X.-K.; Chen, C.-L.; Chen, Q.-W. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 2841-2857 10.1039/c3cs60401b
24. Wang, H.; Maiyalagan, T.; Wang, X. ACS Catal. 2012, 2, 781-794 10.1021/cs200652y
25. Wu, G.; Mack, N. H.; Gao, W.; Ma, S.; Zhong, R.; Han, J.; Baldwin, J. K.; Zelenay, P. ACS Nano 2012, 6, 9764-9776 10.1021/nn303275d
26. Zhang, Z.; Bao, J.; He, C.; Chen, Y.; Wei, J.; Zhou, Z. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 6826-6833 10.1002/adfm.201401581
27. Hummelshøj, J. S.; Blomqvist, J.; Datta, S.; Vegge, T.; Rossmeisl, J.; Thygesen, K. S.; Luntz, A. C.; Jacobsen, K. W.; Nørskov, J. K. J. Chem. Phys. 2010, 132, 071101 10.1063/1.3298994
28. Mo, Y.; Ong, S. P.; Ceder, G. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011, 84, 205446 10.1103/PhysRevB.84.205446
29. Xu, Y.; Shelton, W. A. J. Chem. Phys. 2010, 133, 024703 10.1063/1.3447381
30. Zhu, J.; Ren, X.; Liu, J.; Zhang, W.; Wen, Z. ACS Catal. 2015, 5, 73-81 10.1021/cs5014442
31. Wang, Z.; Sun, J.; Cheng, Y.; Niu, C. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3919-3923 10.1021/jz501775a
32. Yang, G.; Wang, Y.; Ma, Y. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2516-2521 10.1021/jz501160z
33. Radin, M. D.; Siegel, D. J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2370-2379 10.1039/c3ee41632a
34. Lau, K. C.; Curtiss, L. A.; Greeley, J. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 23625-23633 10.1021/jp206796h
35. Garcia-Lastra, J. M.; Myrdal, J.; Christensen, R.; Thygesen, K.; Vegge, T. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 5568-5577 10.1021/jp3107809
36. Radin, M. D.; Rodriguez, J. F.; Tian, F.; Siegel, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 134, 1093-1103 10.1021/ja208944x
37. Black, R.; Oh, S. H.; Lee, J.-H.; Yim, T.; Adams, B.; Nazar, L. F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2902-2905 10.1021/ja2111543
38. Dunst, A.; Epp, V.; Hanzu, I.; Freunberger, S.; Wilkening, M. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2739-2752 10.1039/C4EE00496E
39. Mekonnen, Y. S.; Knudsen, K. B.; Mýrdal, J. S.; Younesi, R.; Højberg, J.; Hjelm, J.; Norby, P.; Vegge, T. J. Chem. Phys. 2014, 140, 121101 10.1063/1.4869212
40. Luntz, A. C.; Viswanathan, V.; Voss, J.; Varley, J. B.; Nørskov, J.; Scheffler, R.; Speidel, A. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3494-3499 10.1021/jz401926f
41. Yun, K.-H.; Hwang, Y.; Chung, Y.-C. J. Power Sources 2015, 277, 222-227 10.1016/j.jpowsour.2014.12.021
42. Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1993, 47, 558-561 10.1103/PhysRevB.47.558
43. Blöchl, P. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 50, 17953-17979 10.1103/PhysRevB.50.17953
44. Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1999, 59, 1758-1775 10.1103/PhysRevB.59.1758
45. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868 10.1103/PhysRevLett.77.3865
46. Henkelman, G.; Arnaldsson, A.; Jónsson, H. Comput. Mater. Sci. 2006, 36, 354-360 10.1016/j.commatsci.2005.04.010
47. Henkelman, G.; Jonsson, H. J. Chem. Phys. 2000, 113, 9978-9985 10.1063/1.1323224
48. Olsen, R.; Kroes, G.; Henkelman, G.; Arnaldsson, A.; Jónsson, H. J. Chem. Phys. 2004, 121, 9776-9792 10.1063/1.1809574
49. Zhao, L.; He, R.; Rim, K. T.; Schiros, T.; Kim, K. S.; Zhou, H.; Gutiérrez, C.; Chockalingam, S.; Arguello, C. J.; Pálová, L. Science 2011, 333, 999-1003 10.1126/science.1208759
50. Gao, H.; Song, L.; Guo, W.; Huang, L.; Yang, D.; Wang, F.; Zuo, Y.; Fan, X.; Liu, Z.; Gao, W. Carbon 2012, 50, 4476-4482 10.1016/j.carbon.2012.05.026
51. Zhang, S.; Tsuzuki, S.; Ueno, K.; Dokko, K.; Watanabe, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 1302-1306 10.1002/anie.201410234
52. Zhang, S.; Dokko, K.; Watanabe, M. Chem. Mater. 2014, 26, 2915-2926 10.1021/cm5006168
53. Deng, D.; Pan, X.; Yu, L.; Cui, Y.; Jiang, Y.; Qi, J.; Li, W.-X.; Fu, Q.; Ma, X.; Xue, Q. Chem. Mater. 2011, 23, 1188-1193 10.1021/cm102666r
54. Zhang, S.; Miran, M. S.; Ikoma, A.; Dokko, K.; Watanabe, M. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1690-1693 10.1021/ja411981c
55. Zhang, L.-S.; Liang, X.-Q.; Song, W.-G.; Wu, Z.-Y. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 12055-12059 10.1039/c0cp00789g
56. Panchakarla, L.; Subrahmanyam, K.; Saha, S.; Govindaraj, A.; Krishnamurthy, H.; Waghmare, U.; Rao, C. Adv. Mater. 2009, 21, 4726-4730 10.1002/adma.200901285
57. Lv, R.; Li, Q.; Botello-Méndez, A. R.; Hayashi, T.; Wang, B.; Berkdemir, A.; Hao, Q.; Elías, A. L.; Cruz-Silva, R.; Gutiérrez, H. R.; Kim, Y. A.; Muramatsu, H.; Zhu, J.; Endo, M.; Terrones, H.; Charlier, J.-C.; Pan, M.; Terrones, M. Sci. Rep. 2012, 2, 586 10.1038/srep00586
58. Yu, Y.-X. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 16819-16827 10.1039/c3cp51689j
59. Ma, C.; Shao, X.; Cao, D. J. Mater. Chem. 2012, 22, 8911-8915 10.1039/c2jm00166g
60. Rangel, E.; Magana, L. F.; Sansores, L. E. ChemPhysChem 2014, 15, 4042-4048 10.1002/cphc.201402532
61. Pels, J.; Kapteijn, F.; Moulijn, J.; Zhu, Q.; Thomas, K. Carbon 1995, 33, 1641-1653 10.1016/0008-6223(95)00154-6
62. Li, Y.; Zhou, Z.; Cabrera, C. R.; Chen, Z. Sci. Rep. 2013, 3, 2030 10.1038/srep02030
63. Usachov, D.; Fedorov, A.; Vilkov, O.; Senkovskiy, B.; Adamchuk, V. K.; Yashina, L. V.; Volykhov, A. A.; Farjam, M.; Verbitskiy, N. I.; Grüneis, A. Nano Lett. 2014, 14, 4982-4988 10.1021/nl501389h
64. Shi, Z.; Kutana, A.; Yakobson, B. I. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 106-112 10.1021/jz502093c
65. Muhich, C. L.; Westcott, J. Y., IV; Morris, T. C.; Weimer, A. W.; Musgrave, C. B. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 10523-10535 10.1021/jp401665r
66. Gao, Y.; Hu, G.; Zhong, J.; Shi, Z.; Zhu, Y.; Su, D. S.; Wang, J.; Bao, X.; Ma, D. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 2109-2113 10.1002/anie.201207918
67. Yan, H.; Xu, B.; Shi, S.; Ouyang, C. J. Appl. Phys. 2012, 112, 104316 10.1063/1.4766919
68. Hwang, Y.; Yun, K.-H.; Chung, Y.-C. J. Power Sources 2015, 275, 32-37 10.1016/j.jpowsour.2014.11.016