Trends in competing oxygen and chlorine evolution reactions over MXenes
Zur Bewertung der katalytischen Aktivität und Selektivität von MXenen für die Chlorentwicklungsreaktion (CER) und Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) werden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Kombination mit einer deskriptorbasierten Analyse eingesetzt. Die Simulationen erfolgen unter Verwendung des Perdew-Burke–Ernzerhof (PBE)-Funktionals mit D3-Dispersionskorrekturen, implementiert im Vienna Ab initio Simulation Package (VASP). Strukturelle Relaxationen und Schwingungsfrequenzanalysen dienen der Berechnung freier Adsorptionsenergien. Elektrochemische Bedingungen werden mithilfe des Computational Hydrogen Electrode (CHE)-Ansatzes modelliert, wodurch eine präzise Bewertung der Reaktionsenergien und Selektivitätstrends unter anodischer Polarisierung ermöglicht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass reine MXene gegenüber CER nur eine geringe katalytische Aktivität aufweisen. Unter anodischen Bedingungen führt jedoch die elektrochemische Oxidation der MXene zur Bildung von Einzelatomkatalysatoren (SACs) mit isolierten Metallatomen und ein- oder zweiarmigen aktiven Zentren. Diese Strukturen verbessern die Selektivität und Effizienz der MXene für die CER deutlich. Besonders vielversprechend sind dabei MXene der Gruppe V – insbesondere V2X, Nb2X und Ta2X – die als kostengünstige, PGM-freie Alternativen für industrielle Anwendungen geeignet sind. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur nachhaltigen Katalyseforschung, indem sie das Potenzial von MXenen als elektrochemisch steuerbare Einzelatomkatalysatoren aufzeigt. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage für die Entwicklung kosteneffizienter, selektiver Elektrokatalysatoren für die CER, mit Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Elektrolyse, Wasseraufbereitung und umweltfreundlichen chemischen Produktion.
This study employs density functional theory (DFT) calculations combined with descriptor-based analysis to evaluate the catalytic activity and selectivity of MXenes for the chlorine evolution reaction (CER) and the oxygen evolution reaction (OER). Simulations are conducted using the Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) functional with D3 dispersion corrections, as implemented in the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP). Structural relaxations and vibrational frequency analyses are performed to compute adsorption free energies. Electrochemical conditions are modeled using the computational hydrogen electrode (CHE) approach, enabling accurate assessment of reaction energetics and selectivity trends under anodic polarization. The results reveal that pristine MXenes exhibit low catalytic activity toward CER. However, under anodic conditions, electrochemical oxidation of MXenes leads to the formation of single-atom catalysts (SACs) featuring isolated metal atoms with one- or two-branched active site geometries. These SAC configurations significantly enhance the selectivity and efficiency of MXenes for CER. Among the materials screened, group V-based MXenes—namely V2X, Nb2X, and Ta2X—emerge as especially promising candidates, offering cost-effective, platinum-group-metal-free (PGM-free) alternatives for industrial-scale applications. This work advances the field of sustainable catalysis by demonstrating the potential of MXenes as electrochemically tunable SACs. The findings provide a framework for designing low-cost, selective electrocatalysts for CER, with implications for industrial electrolysis, water treatment, and green chemical production.