Теоретическое исследование реакции восстановления кислорода на металл-, гетероатом-допированных наноуглеродных катализаторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Кузьмин Антон Васильевич

• Кузьмин Антон Васильевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Кузьмин Антон Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 НАНОУГЛЕРОДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

(обзор литературы)

1.1 Недопированные углеродные наноматериалы

1.1.1 Графен

1.1.2 Углеродные нанотрубки

1.1.3 Фуллерены

1.2 Гетероатом-допированные углеродные наноматериалы

1.2.1 Азот-допированные углеродные наноматериалы

1.2.2 Кремний-допированные углеродные наноматериалы

1.2.3 Сера-допированные углеродные наноматериалы

1.2.4 Другие неметаллические допанты углеродных наноматериалов

1.3 Металл-, гетероатом-допированные углеродные наноматериалы

1.3.1 Общие сведения

1.3.2 Механизмы и активность М-Ы-С катализаторов в реакции электровосстановления кислорода

Глава 2 МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА ГЕТЕРОАТОМ-ДОПИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛАХ (обсуждение результатов)

2.1 Сера-, азот-допированные углеродные наноматериалы

2.1.1 Модель сера-, азот-допированного циркумкоронена

2.1.2 Квантовохимический скрининг центров сорбции кислорода и энергии адсорбции интермедиатов РВК на модельной N,S,O-GQD структуре

2.1.3 Термодинамические особенности и механизм РВК на модельной N,S,O-GQD структуре

2.1.4 Влияние учета сольватации на механизм и перенапряжение РВК

2.2 Кремний-допированные углеродные наноматериалы

2.2.1 Модель кремний-допированного циркумкоронена

2.2.1.1 Структура и энергии адсорбатов РВК на модельной Si-GQD структуре

2.2.1.2 Термодинамические особенности и механизм РВК на модельной Si-GQD структуре

2.2.1.3 Каталитическая активность кремний-отравленной Si(O)(OH)-С3/GQD структуры

2.2.2 Модель кремний-допированного силафуллерена

2.2.2.1 Структура и энергии адсорбатов РВК на модельной структуре кремний-допированного силафуллерена

2.2.2.2 Термодинамические особенности и механизм РВК на модельной структуре кремний-допированного силафуллерена

2.2.3 Кремний-допированные углеродные нанотрубки

2.2.3.1 Структура и энергии адсорбатов РВК на модельных Si-допированных углеродных нанотрубках

2.2.3.2 Термодинамические особенности и механизм РВК на Si-допированных углеродных нанотрубках

2.3 Кремний-, азот-допированные углеродные нанотрубки

2.3.1 Модели кремний-, азот-допированных углеродных нанотрубок

2.3.2 Структура и энергии адсорбатов РВК на SiN3-допированных углеродных нанотрубках

2.3.2.1 Термодинамические особенности механизма РВК на SiN3-допированных углеродных нанотрубках

2.3.2.2 Адсорбция кислорода и активность атомов углерода 81^-допированных углеродных нанотрубок в результате необратимого отравления кремниевого центра

2.3.3 Каталитическая активность азот-допированной углеродной нанотрубки N3/(6,6)N3CNT после элиминирования ортокремниевой кислоты

2.3.4 Термодинамические особенности РВК на Б1^-допированной углеродной нанотрубке и эффект электродного потенциала

2.3.4.1 Каталитическая активность кремний-отравленной Б1^-допированной углеродной нанотрубки в РВК

Глава 3 МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА МЕТАЛЛ-, АЗОТ-ДОПИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛАХ

3.1 Железо-, азот-допированные углеродные наноматериалы

3.1.1 Модельные Бе^-допированные объекты исследования

3.1.2 Структуры и энергии адсорбции интермедиатов РВК

3.1.3 Термодинамические особенности и механизм РВК

3.1.4 Адсорбция кислорода и каталитическая активность атомов углерода CO-отравленных Бе^-допированных модельных структур

3.2 Титан(цирконий)-, азот-допированные углеродные нанотрубки

3.2.1 Модельные Т1(7г)^-допированные нанотрубки

3.2.2 Адсорбционная активность Т1(7г)^-допированных нанотрубок

3.2.3 Термодинамические особенности и механизм начального каталитического цикла РВК

3.2.4 Термодинамические особенности и механизм РВК на металл-окисленных структурах

3.3 Ванадий(ниобий)-, азот-допированные углеродные нанотрубки

3.3.1 Модельные У(№)^-допированные нанотрубки

3.3.2 Адсорбционная активность У(КЪ)К4-допированных нанотрубок

3.3.3 Термодинамические особенности и механизм начального каталитического цикла РВК

3.3.4 Термодинамические особенности и механизм РВК на металл-окисленных структурах

3.4 Углеродные нанотрубки, допированные азотом и металлами Cu, Ag и Zn

3.4.1 Модельные Cu(Ag,Zn)N4-допированные нанотрубки

3.4.2 Структура и адсорбционная активность Cu(Ag, Zn)N4-допированных нанотрубок

3.4.3 Термодинамические особенности и механизм РВК

Глава 4. МЕТОДИКА КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ РЕАКЦИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

4.1 Уравнение Норскова и вычислительная модель водородного электрода

4.2 Вычислительные схемы изучения РВК

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое исследование реакции восстановления кислорода на металл-, гетероатом-допированных наноуглеродных катализаторах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Переход от ископаемых к возобновляемым источникам энергии является одним из современных вызовов на пути к производству экологически чистой энергии с низким уровнем выбросов углекислого газа и устойчивому развитию энергетического и транспортного секторов экономики. Эта тенденция, заложенная в Киотском протоколе, действие которого закончилось в 2020 г. [1], получила развитие в Парижском соглашении по предотвращению изменения климата [2]. Согласно договору, Россия должна достичь к 2030 г. выбросов парниковых газов не более 70 % от уровня 1990 г. В 2018 г. этот уровень составлял 52 % от уровня 1990 г. и, таким образом, резерв повышения остается крайне незначительным [3].

Одним из источников «зеленой» энергии является водород, окисление которого в топливных элементах [4, 5] позволяет преобразовать химическую энергию топлива и окислителя в электрическую [6]. Единственным побочным продуктом при этом является вода, что обеспечивает возможность получения энергии с наименьшим углеродным следом при экологически чистом производстве водорода, например, в солнечно-водяных электролизерах [7, 8].

Технология топливных элементов имеет давнюю историю. Прообраз топливного элемента, «газовая батарея», был сконструирован еще в 1839 г. У. Р. Грове, который использовал водород, кислород и серную кислоту в качестве топлива, окислителя и электролита, соответственно [9]. В современном топливном элементе катод и анод с нанесенными катализаторами для ускорения полуреакций окисления водорода на аноде и восстановления кислорода на катоде могут быть разделены как жидкофазным, так и твердополимерным электролитом [10, 11]. Отметим, что КПД топливного элемента не ограничен циклом Карно, как для двигателей внутреннего сгорания, а зависит от перенапряжения (^ох/яеа) -разницы между термодинамическим (Е0) и экспериментальным (и потенциалами полуреакции на каждом электроде, и в определенных условиях может достигать >60 %. Фундаментальные термодинамические и электрохимические принципы

работы водородного топливного элемента детально рассмотрены в обзоре, посвященном технологии топливных элементов [12].

В настоящее время наиболее распространенным катализатором в топливных элементах является платина [13, 14]. На аноде молекулярный водород легко окисляется по механизму Фольмера-Тафеля, при этом перенапряжение не превышает 50 мВ [15]. В отличие от этого, перенапряжение реакции восстановления кислорода на катоде (РВК), в лучшем случае, равно 300-350 мВ при использовании иммобилизованных наночастиц платины [16]. Столь высокое значение, усугубляемое отравлением активных центров [16, 17], существенно снижает эффективность топливного элемента, поэтому разработка новых дешевых высокоактивных катализаторов РВК и понимание механизма их действия представляют исключительно важное значение, находясь на стыке экспериментальной и теоретической химии материалов.

Степень разработанности темы. Хорошей альтернативой платиновым катализаторам РВК являются углеродные наноматериалы (графен, нанотрубки и др.), допированные гетероатомами, например, N S, В, Р, О и др. [18-21], и неблагородными металлами, Бе, Со, Си и др. [22-25]. Эти катализаторы обладают превосходными механическими и электрохимическими свойствами, а также стабильны в агрессивных условиях РВК. Количество работ, посвященных поиску новых катализаторов данной реакции в мире стремительно растет, тогда как в России решением этой проблемы занялись относительно недавно [26-32].

Углеродные наноматериалы, несущие в своей структуре катионы металлов, хелатированные азотом, М-Ых/С, легко получаются путем пиролиза азотсодержащих комплексов переходных металлов - фталоцианинов или порфиринов - в присутствии углеродных наноматериалов [24]. В настоящее время железо-, азот-допированные углеродные наноматериалы являются одной из наиболее перспективных альтернатив платиносодержащим катализаторам РВК;

величина перенапряжения на них составляет ~300 мВ1 при содержании металла <0.05 ат. % [25]. Азот-допированные углеродные наноматериалы демонстрируют более скромные вольт-амперные характеристики по сравнению с их металлсодержащими аналогами, однако отличаются исключительной стабильностью к каталитическим ядам [19, 21]. По сравнению с другими гетероатомами, Si-допированным материалам уделяли меньше внимания, однако недавно нашими коллегами из Тартуского университета осуществлен успешный синтез высокоактивных SiNx-содержащих многостенных углеродных нанотрубок путем пиролиза последних с дихлорфталоцианином кремния в соотношении 3:1 при 800 °С. Величина перенапряжения РВК для них оказалась на 14 мВ меньше, чем у коммерческого Р1/С катализатора [33]. Эти данные указывают на высокий потенциал кремния для РВК и необходимость детального изучения механизма реакции для более глубокого понимания процесса.

Применение квантовохимических методов теории функционала плотности (ТФП) для изучения механизма РВК позволяет не только установить природу активных центров различных каталитических систем, но и объяснить причину перенапряжения, заключающуюся в наличии равновесной элементарной стадии каталитического цикла связанной с переносом электрона при некотором значении электродного потенциала и, близком к термодинамическому [34]. В этой же работе, Норсков с соавт. предложили уравнение, связывающее и и свободную энергию (АО) интермедиатов РВК. Применение уравнения Норскова, наряду с расчетной моделью водородного электрода [35], определило вектор дальнейших теоретических исследований в области предсказания и сравнения активности широкого ряда катализаторов [19, 21, 25, 36]. Несмотря на достаточно глубокие теоретические представления о термодинамике и кинетике РВК, вопросы, касающиеся причин сохранения активности катализатора даже после воздействия каталитических ядов и/или необратимой адсорбции восстановленных форм

1 Здесь и далее по тексту указаны величины потенциалов измеренные экспериментально или предсказанные с применением квантовохимических расчетов относительно стандартного водородного электрода (СВЭ) при нормальных условиях (Т = 298 К, Р = 1 бар), если не указано иное.

кислорода, остаются открытыми. Требует объяснения и зависимость активности допированных углеродных нанотрубок в РВК от их индексов хиральности, которая позволяет разделить их на три типа: (п,п)-кресельные, (п,0)-зигзагообразные и (п,т)-хиральные, где п Ф т. Наконец, в большинстве теоретических работ, посвященных РВК, рассматривается лишь ассоциативный маршрут каталитического цикла, хотя реакция в зависимости от природы активного центра может протекать и по более выгодному диссоциативному маршруту. Последний исключает образование побочного продукта снижающего мощность ТЭ, Н202, в результате переноса двух электронов из четырех возможных. Решению поставленных задач посвящено настоящее исследование.

В связи с этим, цель работы - теоретическое определение термодинамических и кинетических особенностей механизмов РВК на моделях гетероатом- и металл-, гетероатом-допированных углеродных наноструктур в кислой и щелочной средах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Квантовохимический скрининг центров адсорбции 02 и моделирование механизма РВК на атомах углерода в азот-, сера-допированном графене.

2. Квантовохимическое изучение влияния природы углеродной подложки (графен, нанотрубки, бакминстерфуллерен) и ее декорирования атомами азота на активность структур, допированных трех- и четырех-координированным атомом кремния.

3. Квантовохимическая оценка реакционной способности углеродных центров нанотрубок и графена, допированных азотом и некоторыми 3d и 4^ переходными металлами, в том числе при необратимом окислении (отравлении) металлического центра монооксидом углерода или частично восстановленными формами кислорода.

Исследования выполнены в лаборатории элементоорганических соединений ФИЦ Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН в соответствии с планом НИР по теме: «Химические проблемы получения и преобразования

энергии, фундаментальные исследования в области использования альтернативных и возобновляемых источников энергии» (номер государственной регистрации № АААА-А19-119112990005-6). Отдельные части работы выполнены при поддержке гранта РФФИ (18-53-76004 ЭРА_а).

Научная новизна работы. Оптимизированы структуры интермедиатов на основании свободных энергий которых построены профили ассоциативного и диссоциативного маршрутов РВК на ряде углеродных структур, допированных переходными металлами и гетероатомами, и определены параметры влияющие на электрохимическую активность катализаторов на их основе. Главным результатом исследований стало теоретическое обоснование возможности протекания РВК на атомах углерода подложки после отравления монооксидом углерода или необратимого окисления продуктами частичного восстановления кислорода активного металлического центра фрагмента металл-Ы4, содержащего четыре атома азота пиридинового типа. Данное открытие подтверждено соответствием расчетных величин перенапряжения г]РВК с имеющимися экспериментальными данными, описанными в литературе, а также собственными результатами, полученными совместно с зарубежными коллегами.

На примере азот-, сера-допированной модели графена, в которой атомы азота представлены пиррольной, пиридиновой, пиридин-Ы-оксидной и графити-рованной формами, выявлены наиболее вероятные центры адсорбции молекулярного кислорода и изучена термодинамика РВК на них в кислой и щелочной средах. Показана ключевая роль графитированного азота и тиопирановой серы в модулировании адсорбционной активности по отношению к О2 соседних с ними атомов углерода и пиррольного азота, ответственного за эффективность катализатора.

Теоретически изучен механизм РВК на кремний-допированном графене, бакминстерфуллерене и углеродных нанотрубках разного диаметра в трехкоорди-нированном состоянии. В результате открыт новый, потенциально более предпочтительный по сравнению с общепринятым ассоциативным, маршрут РВК, заключающийся в промежуточном внедрении атома кислорода по связи Si-С.

Выполнено квантовохимическое исследование механизма РВК на кремний-, азот-допированных углеродных нанотрубках, содержащих три или четыре атома азота пиридиновой природы в ближней координационной сфере металлоида. Построение профилей свободной энергии позволило оценить влияние лигандного окружения атома кремния на термодинамику РВК на нем, а также установить возможность протекания реакции с участием атомов углерода, непосредственно связанных с фрагментом 81Ых, где х = 3, 4.

Теоретически изучена термодинамика РВК на металлических и винильных С2 центрах переходный металл-, азот-допированных углеродных нанотрубок, М-Ы4/СЫТ, где М = Т1, V, Бе, Си, 7п, 7г, ЫЪ и Л§. Показано влияние отравления металла монооксидом углерода и восстановленными формами кислорода на активность атомов углерода подложки, соседних с МЫ4 фрагментом, сравнимая и даже превосходящая таковую у металлического центра. На примере железо-, азот-допированных углеродных наноструктур изучена роль природы подложки (графен, кресельная и зигзагообразная нанотрубки) и ориентации фрагмента БеЫ относительно оси нанотрубки на активность и стабильность каталитических центров.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в работе результаты моделирования каталитических систем являются развитием имеющихся представлений об электронном строении и функционировании активных центров допированных углеродных наноматериалов в РВК. Анализ профилей свободной энергии и активационных барьеров элементарных стадий РВК дает достаточно полное представление о ее механизме и позволяет не только прогнозировать направление процесса, но и предсказывать такие важные параметры каталитического цикла, как природа скоростьопределяющей стадии и величина перенапряжения РВК до проведения соответствующих экспериментов.

Полученные результаты могут быть использованы для реализации дорожной карты высокотехнологичного направления «Развитие водородной энергетики» (Распоряжение Правительства РФ от 16 января 2023 г. № 40-р) при создании отечественных металл экономных и кремнийсодержащих углеродных

катализаторов РВК для применения в водородных топливных элементах и металл-воздушных батареях.

Методология и методы диссертационного исследования. Квантово-химические расчёты выполнены с помощью методов ТФП, удовлетворяющих компромиссу между временем расчета и его точностью ввиду большого размера рассматриваемых каталитических систем (число «тяжелых» атомов от 54 до 153). Использовались следующие расчётные схемы: B3LYP/6-311G(d)//B3LYP/6-31+G(d), B3LYP/6-311G(d,p)//B3LYP/6-311+G(d), ¿B97XD/6-311G(d,p)//^B97XD/ 6-311+G(d), ¿B97XD/DGDZVP, PBE/Def2-TZVP//PBE/Def2-SVP и revPBEO-D3/Def2-TZVP//revPBE-D3/Def2-SVP. Термохимические поправки к свободной энергии интермедиатов РВК рассчитаны для стандартных условий (P = 1 бар, T = 298 К) в соответствии с уравнением Норскова в зависимости от электродного потенциала U в кислой и щелочной средах [34]. Учёт влияния растворителя выполнен в рамках неспецифических моделей сольватации C-PCM и SMD. Все расчёты выполнены с помощью пакетов программ Gaussian 09 и ORCA 5.0.

Положения, выносимые на защиту:

1. Наиболее активными центрами адсорбции O2 для модели азот-, сера-допированного графена являются винильные С2 центры при графитированном атоме азота и тиопирановом атоме серы, тогда как С2 фрагмент при пиррольном атоме азота характеризуется наименьшим перенапряжением РВК и умеренной эндоэргичностью адсорбции кислорода.

2. Трехкоординированный кремний, встроенный в структуру графена, бакминстерфуллерена и углеродных нанотрубок, склонен к необратимому окислению с образованием устойчивого неактивного в РВК оксисиланола.

3. Декорирование трех- и четырехкоординированного кремния азотом пиридинового типа в составе углеродных нанотрубок приводит к усилению его оксофильности и возможности как элиминирования его в виде SiO2, так и протекания РВК с участием атомов углерода при SiNx фрагменте.

4. Металлические центры в составе переходный металл-, азот-допированных нанотрубок более активны в РВК по сравнению с углеродными

центрами при MN4 фрагменте и, в зависимости от природы металла, могут отравляться продуктами частичного восстановления кислорода.

5. Отравление металлических центров интермедиатами РВК или СО приводит к модулированию активности винильных С2 центров при MOnHmN4 фрагменте в катализе РВК.

Личный вклад автора. Проведение расчетов, анализ и обработка полученных данных, обсуждение и интерпретация результатов, формулировка выводов, подготовка и написание публикаций выполнены лично автором или при его определяющем непосредственном участии.

Степень достоверности и апробация результатов. Обсуждаемые результаты расчётов получены с использованием современных методов квантовой химии, общепризнанных в мировой практике для изучения электрохимических реакций, в т. ч. РВК. Надежность полученных результатов подтверждается согласием с экспериментальными результатами, описанными в литературе.

По материалам диссертации опубликованы 14 статей в рецензируемых журналах и тезисы 6 устных и стендовых докладов на форумах различного уровня: 17th European Symposium on Organic Reactivity (Дубровник, Хорватия, 2019); PRiME 2020, The Electrochemical Society (ECS), The Electrochemical Society of Japan (ECSJ), and The Korean Electrochemical Society (KECS) joint meeting (2020); 242th ECS Meeting (Атланта, США, 2022), 8th Asian Symposium on Advanced Materials (Новосибирск, 2023) и на XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists «Mendeleev 2024» (Санкт-Петербург, 2024).

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 295 страницах, содержит 2 схемы, 85 рисунков и 30 таблиц. Первая глава (обзор литературы) посвящена обобщению и анализу литературных данных по каталитической активности недопированных, гетероатом- и металл-, гетероатом-допированных углеродных наноматериалов в РВК и применению методов ТФП для ее изучения. Результаты собственных квантовохимических исследований механизмов РВК, их термодинамики и кинетики на гетероатом- и металл-, гетероатом-допированных углеродных наноструктурах, обсуждаются во второй и третьей главах; методика

расчетов приведена в четвертой главе. Завершается рукопись выводами, перечнем сокращений и списком цитируемой литературы (349 наименований).

Автор выражает благодарность своим коллегам, принимавшим участие в этой работе на отдельных ее этапах: к.х.н. Ващенко А. В. за помощь в выполнении расчетов, а также д-ру Крузенбергу И. (Тартуский университет, Эстония) и д-ру Шутке А. (Рижский технический университет, Латвия) за сотрудничество в области синтеза, характеризации и электрохимического анализа катализаторов при выполнении совместных исследований. Особая благодарность моему учителю - д.х.н., профессору Шаиняну Баграту Арменовичу.

Глава 1 НАНОУГЛЕРОДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА

(обзор литературы)

Прежде чем рассматривать отдельные представители катализаторов РВК, следует кратко ознакомиться с механизмом этой реакции. В результате диффузии к катоду топливного элемента, молекула кислорода адсорбируется на активном центре с образованием О2* адсорбата (* - активный центр катализатора). Последний, в результате диссоциации по связи О-О, может изомеризоваться в диоксо 2О* адсорбат, следуя по одноименному (диссоциативному) маршруту. Дальнейшее восстановление О2* под действием [Н+ + в~] (кислая среда) или [Н2О + е~] (щелочная среда) протекает по ассоциативному четырехэлектронному 4е маршруту через промежуточные перокси НОО*, оксо О*, гидрокси НО* интермедиаты, и заканчивается регенерацией активного центра с образованием двух молекул Н2О. Данный маршрут РВК конкурирует с двухэлектронным 2е восстановлением НОО* до пероксида водорода, Н2О2; в зависимости от решаемой задачи, последний может рассматриваться как целевой [37] или нежелательный продукт, снижающий селективность катализатора [38]. Альтернативный и более привлекательный диссоциативный 4е маршрут РВК включает формирование 2О* интермедиата, более стабильного по сравнению с О2*, и стадии образования оксогидрокси О*НО* и дигидрокси НО*НО* интермедиатов. Последний далее изомеризуется в О* адсорбат или восстанавливается до НО* адсорбата, рис. 1.1.

О2 + 2[Н+ + е ] ^ Н2О2, Е = 0.70 В О2 + 4[Н+ + е ] ^ 2Н2О, Е0 = 1.23 В

Рис. 1.1. Каталитические циклы 2е и 4е РВК в кислой среде.

1.1 Недопированные углеродные наноматериалы

Наноматериалы, состоящие из ^р2-гибридизованных атомов углерода (графен, нанотрубки, фуллерены, квантовые точки и др.), обладают комплексом уникальных свойств, среди которых высокая химическая стабильность, механическая прочность, тепло- и электропроводность, совокупность которых определяет их роль не только в катализе РВК и электро-Фентон2 процессе, но и в таких областях как молекулярные сенсоры, микроэлектроника, устройства накопления и хранения энергии и др. [39]. Вместе с тем, сообщения о применении недопированных углеродных наноматериалов в катализе 4е РВК немногочисленны из-за их низкой каталитической активности, для которой обязательно требуется наличие дефектов структуры [40-50].

1.1.1 Графен

Низкотемпературные и квантовохимические исследования сорбции молекулярного кислорода на графене и одностенных углеродных нанотрубках указывают на преимущественно физическую природу взаимодействия между графеном и кислородом, поскольку адсорбция 02 слабо экзотермична и величина

составляет всего -0.1 эВ. Напротив, на углеродных нанотрубках составляет -0.2 эВ, что указывает уже на слабую хемосорбцию молекулы кислорода [51-53]. Вследствие слабого разрыхления п связи в 02*, его диссоциация с образованием диэпокси-адсорбата 2*0* на графене протекает с очень высоким активационным барьером, Е* равна ~2.8 эВ [53, 54], величина которого превышает таковой деструкции углеродной подложки [27].

Анализ профиля свободной энергии 4е ассоциативного маршрута РВК на базальных атомах углерода графена, рис. 1.2а, указывает на значительную

2 «

Процесс электрокаталитического in situ генерирования гидроксильных радикалов (HO ) из

H2O2 в присутствии ионов Fe2+ в 02-насыщенных водных растворах. Широко используется для разложения токсичных органических соединений в сточных водах.

эндоэргичность формирования перокси-адсорбата НОО*, АО равно 0.88 эВ [40], поэтому более вероятна его десорбция в прикатодное пространство в виде пероксид-аниона или анион-радикала, чем дальнейшее электровосстановление по 4е маршруту. Однако к этим результатам нужно относиться критически, поскольку экзоэргичность реакции 2Н2 + 02 ^ 2Н20 равна 4.92 эВ, а не указанные на профиле ~1.4 эВ. Тем не менее, хорошо известно, что недопированный графен является плохим катализатором 4е РВК ввиду очень высокого перенапряжения, ^рвк равно ~0.8 В [55]. Тем не менее, материалы на его основе нашли применение в ускорении 2е РВК с образованием Н202. Механизм, термодинамика и кинетика его формирования детально рассмотрены в работе [56], где показана возможность изменения селективности РВК в сторону 2е маршрута при величине электродного потенциала и ниже 0.55 В в кислой и -0.22 В в щелочной средах. Пути повышения каталитической активности графена в 2е РВК детально рассмотрены в недавнем обзоре [39].

Графен, (585)-дефект

Ы-Допированный графен

Координата реакции

Рис. 1.2. Профиль свободной энергии ассоциативного 4е маршрута РВК на графене и К-допированном графене (а), структуры (585)-дефекта (б) и графитированный азот-допированного графена (в) [40].

Б

В

Одним из способов повышения активности графена в 4е РВК является нарушение л-электронной системы путем создания структурных дефектов (дефект Стоуна-Уэйлса, вакансии, полости и др.) [41, 45], а также увеличение

числа краевых атомов углерода зигзагообразного типа (графеновая лента) [43]. Дефекты в структуре вызывают изменение зарядовой и/или спиновой плотности, что приводит к возникновению центров сорбции кислорода и катализу РВК [55]. Формирование дефектов может быть осуществлено путем закаливания азот-допированных углеродных наноматериалов при >1000 °C в инертной атмосфере, в результате чего происходит частичное элиминирование гетероатомов и на их месте формируются вакансии, либо удалением отдельных атомов углерода аргоновой плазмой [43, 46]. Дефекты в структуре графена способны ускорять не только РВК, но и электрохимическую реакцию разложения воды до водорода и кислорода [57].

Girit с соавт. методом ТЭМ экспериментально показали, что структурные дефекты в графене представляют собой динамическую систему, причем атомы углерода, расположенные вдоль кресельной грани, более подвижны и могут быть удалены путем облучения [58]. Теоретический анализ динамики и стабильности вакансий выполнен в работе [59].

В результате удаления двух соседних базальных атомов углерода из графена и формирования на месте четырех сочлененных шестичленных циклов двух пяти-и одного восьмичленного циклов, (585)-дефект, рис. 1.2б, Zhao с соавт. теоретически показали изменения в термодинамическом профиле 4e РВК [40]. По сравнению с базальными атомами углерода в качестве активных центров графена и его азот-допированного аналога, рис. 1.2а,в, атомы углерода, образующие (585)-дефект, более активны в целевой реакции. Величины свободных энергий O* и HO* интермедиатов близки к таковым на «идеальном» катализаторе РВК, тогда как элементарная стадия образования HOO* из * + 02 + [H+ + e~] слабо эндоэргична. Авторы экспериментально показали, что пиролиз органического каркасного материала PAF-40, содержащего фенильные и триазиновые группы, при 700-800 °С приводит к формированию азот-допированного графитоподобного материала, а дальнейшее закаливание при 900-1000 °С понижает содержание гетероатома до 0.2 ат. % (преимущественно в виде атомов азота графитированного типа). Сравнение этих материалов в 4e РВК показало высокую

каталитическую активность последнего, вызванную наличием структурных дефектов в углеродной матрице [Там же]. Jiang с соавт. продемонстрировали, что активность атомов углерода в 4e РВК увеличивается в ряду: базальный << «кресельный» (грань) < «полостной» << «дефектный» (пятичленный цикл в базальном положении) < «зигзагообразный» (грань) [43]. Причем на последних двух структурах все элементарные стадии механизма экзоэргичны, рис. 1.3, и именно они могут вносить основной вклад в активность недопированных двумерных углеродных материалов.

Рис. 1.3. Профили свободной энергии РВК на различных атомах углерода графена (а) с дефектами структуры в виде пятичленного цикла в базальном положении (б),

полости (в), а также на зигзагообразной (г) и кресельной (д) гранях [43].

Zhang с соавт., используя квантовую точку C100H26 в качестве модели графена, сконструировали ряд структурных дефектов, среди которых дефект Стоуна-Уэйлса, вакансия и двойная вакансия, дефект в виде пятичленного цикла зигзагообразной грани (в результате удаления CH), а также различные комбинации пяти- и восьмичленных циклов в результате сшивки двух квантовых точек кресельной и зигзагообразной гранями между собой. Авторы рассчитали свободные энергии интермедиатов 2e и 4e РВК в кислой среде и оценили величины активационных барьеров [60]. Показано, что для структур, в составе которых имеется дефект Стоуна-Уэйлса или вакансии в базальном положении, распределение зарядов идентично таковому в графене без дефектов и такие центры малоэффективны в катализе РВК. Наибольшее изменение величины

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Кузьмин Антон Васильевич, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. URL: https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.pdf

2. URL: https://unfccc.int/sites/default/files/english paris agreement.pdf

3. Порфирьев, Б. Н. Климат для людей, а не люди для климата / Б. Н. Порфирьев, А. А. Широв, А. Ю. Колпаков // Эксперт. - 2020. - № 31-34. - С. 4447.

4. Wang, Y.-J. Unlocking the door to highly active ORR catalysts for PEMFC applications: polyhedron-engineered Pt-based nanocrystals / Y.-J. Wang, W. Long, L. Wang, R. Yuan, A. Ignaszak, B. Fang, D. P. Wilkinson // Energy Environ. Sci. - 2018. - V. 11. - P. 258-275.

5. Daud, W. R. W. PEM fuel cell system control: A review / W. R. W. Daud, R. E. Rosli, E. H. Majlan, S. A. A. Hamid, R. Mohamed, T. Husaini // Renew. Energy. -2017. - V. 113. - P. 620-638.

6. Si, F. Electrochemical oxygen reduction reaction [Text] / F. Si, Y. Zhang, L. Yan, J. Zhu, M. Xiao, C. Liu // Rotating electrode methods and oxygen reduction electrocatalysts / W. Xing, G. Yin, J. Zhang. - Amsterdam : Elsevier, 2014. - Ch. 4. -P. 133-170.

7. Dutta, S. Review on solar hydrogen: Its prospects and limitations / S. Dutta // Energy Fuels. - 2021. - V. 35, № 15. - P. 11613-11639.

8. Squadrito, G. The green hydrogen revolution / G. Squadrito, G. Maggio, A. Nicita // Renew. Energ. - 2023. - V. 216. - P. 119041.

9. Grove, W. R. On a new voltaic combination / W. R. Grove // Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. - 1838. - V. 13. - P. 430-431.

10. Mahato, N. Recent progress in conducting polymers for hydrogen storage and fuel cell applications / N. Mahato, H. Jang, A. Dhyani, S. Cho // Polymers. - 2020. - V. 12, № 11. - P. 2480.

11. Grandi, M. Recent advancements in high performance polymer electrolyte fuel cell electrode fabrication - Novel materials and manufacturing processes / M.

Grandi, S. Rohde, D. J. Liu, B. Gollas, V. Hacker // J. Power Sources. - 2023. - V. 562.

- P. 232734.

12. Sharaf, O. Z. An overview of fuel cell technology: Fundamentals and applications / O. Z. Sharaf, M. F. Orhan // Renew. Sust. Energ. Rev. - 2014. - V. 32. -P. 810-853.

13. Popov, B. N. Development of highly active and durable hybrid compressive platinum lattice catalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells: Mathematical modeling and experimental work / B. N. Popov, J.-W. Lee, A. Kriston, T. Kim // J. Electrochem. Soc. - 2020. - V. 167, № 5. - P. 054512.

14. Hu, X. Review and perspectives of carbon-supported platinum-based catalysts for proton exchange membrane fuel cells / X. Hu, B. Yang, S. Ke, Y. Liu, M. Fang, Z. Huang, X. Min // Energy Fuels. - 2023. - V. 37, № 16. - P. 11532-11566.

15. Hao, Y. M. Overpotentials and reaction mechanism in electrochemical hydrogen pumps / Y. M. Hao, H. Nakajima, A. Inada, K. Sasaki, K. Ito // Electrochim. Acta. - 2019. - V. 301. - P. 274-283.

16. Wang, Y. A fundamental comprehension and recent progress in advanced Pt-based ORR nanocatalysts / Y. Wang, D. Wang, Y. Li // SmartMat. - 2021. - V. 2. - P. 56-75.

17. Sui, S. A comprehensive review of Pt electrocatalysts for the oxygen reduction reaction: Nanostructure, activity, mechanism and carbon support in PEM fuel cells / S. Sui, X. Wang, X. Zhou, Y. Su, S. Riffat, C.-j. Liu // J. Mater. Chem. A. -2017. - V. 5. - P. 1808-1825.

18. Gong, K. Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activity for oxygen reduction / K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, L. Dai // Science.

- 2009. - V. 323, № 5915. - P. 760-764.

19. Ma, R. A review of oxygen reduction mechanisms for metal-free carbon-based electrocatalysts / R. Ma, G. Lin, Y. Zhou, Q. Liu, T. Zhang, G. Shan, M. Yang, J. Wang // npj Comput. Mater. - 2019. - V. 5. - P. 78.

20. An, F. Carbon-based metal-free oxygen reduction reaction electrocatalysts:

Past, present and future / F. An, X.-q. Bao, X.-y. Deng, Z.-z. Ma, X.-g. Wang // New Carbon Mater. - 2022. - V. 37, № 2. - P. 338-354.

21. Inagaki, M. Nitrogen-doped carbon materials / M. Inagaki, M. Toyoda, Y. Soneda, T. Morishita // Carbon. - 2018. - V. 132. - P. 104-140.

22. Xia, W. Earth-abundant nanomaterials for oxygen reduction / W. Xia, A. Mahmood, Z. Liang, R. Zou, S. Guo // Angew. Chem. Int. Ed. - 2016. - V. 55. - P. 2650-2676.

23. Sarapuu, A. Electrocatalysis of oxygen reduction on heteroatom-doped nanocarbons and transition Metal-Nitrogen-Carbon catalysts for alkaline membrane fuel cells / A. Sarapuu, E. Kibena-Poldsepp, M. Borghei, K. Tammeveski // J. Mater. Chem. A. - 2018. - V. 6. - P. 776-804.

24. Shantharaja. Phthalocyanine based metal-organic frame work with carbon nanoparticles as hybrid catalyst for oxygen reduction reaction / Shantharaja, Giddaerappa, L. K. Sannegowda // Electrochimica Acta. - 2023. - V. 456. - P. 142405.

25. Liu, J. Recent progress on Fe/N/C electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in fuel cells / J. Liu, E. Li, M. Ruan, P. Song, W. Xu // Catalysts. - 2015. - V. 5. - P. 1167-1192.

26. Kislenko, V. A. Revision of the oxygen reduction reaction on N-doped graphenes by grand-canonical DFT / V. A. Kislenko, S. V. Pavlov, V. A. Nikitina, S. A. Kislenko // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2023. - V. 26, № 1. - P. 293-303.

27. Polynskaya, Y. G. First-principles investigation of interaction between the atomic oxygen species and carbon nanostructures / Y. G. Polynskaya, N. A. Matsokin, A. S. Sinitsa, A. A. Knizhnik, B. V. Potapkin // Carbon Trends. - 2022. - V. 9. - P. 100201.

28. Lastovina, T. Modification of the Fe,Co-N/C catalysts for oxygen reduction reaction by a chemical post-treatment with oxidizing agents / T. Lastovina, A. Bugaev, A. Fedorenko, A. Nikolskiy, A. Kozakov, A. Anokhin, W. Yohannes, A. Budnyk // Int. J. Hydrog. Energy, Part C. - 2024. - V. 51, - P. 1161-1168.

29. Belenov, S. The PtM/C (M = Co, Ni, Cu, Ru) electrocatalysts: Their

synthesis, structure, activity in the oxygen reduction and methanol oxidation reactions, and durability / S. Belenov, A. Pavlets, K. Paperzh, D. Mauer, V. Menshikov, A. Alekseenko, I. Pankov, M. Tolstunov, V. Guterman // Catalysts. - 2023. - V. 13, № 2. -P. 243.

30. Vinogradov, K. Yu. Density functional theory study of the oxygen reduction reaction mechanism on graphene doped with nitrogen and a transition metal / K. Yu. Vinogradov, A. V. Bulanova, R. V. Shafigulin, E. O. Tokranova, A. M. Mebel, H. Zhu // ACS Omega. - 2022. - V. 7, - P. 7066-7073.

31. Vinogradov, K. Yu. Catalysts for ORR based on silver-modified graphene oxide and carbon nanotubes / K. Yu. Vinogradov, R. V. Shafigulin, E. O. Tokranova, S. V. Vostrikov, E. A. Martynenko, V. V. Podlipnov, P. V. Kazakevich, A. A. Sheldaisov-Meshcheryakov, N. A. Vinogradov, A. V. Bulanova // Energies. - 2023. - V. 16. - P. 1526.

32. Bogdanovskaya, V. Carbon nanotube modified by (O, N, P) atoms as effective catalysts for electroreduction of oxygen in alkaline media / V. Bogdanovskaya, I. Vernigor, M. Radina, V. Andreev, O. Korchagin, V. Novikov // Catalysts. - 2020. -V. 10, № 8. - P. 892.

33. Kaare, K. Study of the electrocatalytic activity of silicon and nitrogen co-doped carbon towards oxygen reduction reaction / K. Kaare, M. Jantson, R. Palgrave, M. Tsujimoto, A. Kuzmin, B. Shainyan, I. Kruusenberg // J. Electroanal. Chem. - 2023. - V. 950. - P. 117859.

34. N0rskov, J. K. Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode / J. K. N0rskov, J. Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J. R. Kitchin, T. Bligaard, H. Jonsson // J. Phys. Chem. B. - 2004. - V. 108. - P. 17886-17892.

35. Oberhofer, H. Electrocatalysis beyond the computational hydrogen electrode [Text] / H. Oberhofer // Handbook of Materials Modeling / W. Andreoni, S. Yip -Cham : Springer, 2018. - P. 1-33.

36. Кузьмин, А. В. Механизмы реакций каталитического электрохимического восстановления кислорода (ORR) и углекислого газа (CO2RR) / А. В.

Кузьмин, Б. А. Шаинян // Усп. Хим. - 2023. - Т. 92, № 6. RCR5085.

37. Zhou, Y. A review of advanced metal-free carbon catalysts for oxygen reduction reactions towards the selective generation of hydrogen peroxide / Y. Zhou, G. Chen, J. Zhang // J. Mater. Chem A. - 2020. - V. 8. - P. 20849-20869.

38. Yeager, E. Electrocatalysts for O2 reduction / E. Yeager // Electrochimica Acta. - 1984. - V. 29, № 11. - P. 1527-1537.

39. Yu, T. 2D Graphene and graphene-like materials and their promising applications in the generation of hydrogen peroxide / T. Yu, C. B. Breslin // J. Electrochem. Soc. - 2020. - V. 167. - P. 126502.

40. Zhao, H. Carbon for oxygen reduction reaction: A defect mechanism / H. Zhao, C. Sun, Z. Jin, D.-W. Wang, X. Yan, Z. Chen, G. Zhua, X. Yao // J. Mater. Chem. A. - 2015. - V. 3. - P. 11736-11739.

41. Jin, H. Graphene quantum dots supported by graphene nanoribbons with ultrahigh electrocatalytic performance for oxygen reduction / H. Jin, H. Huang, Y. He, X. Feng, S. Wang, L. Dai, J. Wang // J. Am. Chem. Soc. - 2015. - V. 137. - P. 75887591.

42. Xie, C. Insight into the design of defect electrocatalysts: from electronic structure to adsorption energy / C. Xie, D. Yan, W. Chen, Y. Zou, R. Chen, S. Zang, Y. Wang, X. Yao, S. Wang // Mater. Today. - 2019. - V. 31. - P. 47-68.

43. Jiang, Y. Significant contribution of intrinsic carbon defects to oxygen reduction activity / Y. Jiang, L. Yang, T. Sun, J. Zhao, Z. Lyu, O. Zhuo, X. Wang, Q. Wu, J. Ma, Z. Hu // ACS Catal. - 2015. - V. 5, № 11. - P. 6707-6712.

44. Zhong, G. The effect of edge carbon of carbon nanotubes on the electrocatalytic performance of oxygen reduction reaction / G. Zhong, H. Wang, H. Yu, F. Peng // Electrochem. Commun. - 2014. - V. 40. - P. 5-8.

45. Zhang, J. Defect and doping co-engineered non-metal nanocarbon ORR electrocatalyst / J. Zhang, J. Zhang, F. He, Y. Chen, J. Zhu, D. Wang, S. Mu, H. Y. Yang // Nano-Micro Lett . - 2021. - V. 13. - P. 65.

46. Tao, L. Edge-rich and dopant-free graphene as a highly effcient metal-free

electrocatalyst for the oxygen reduction reaction / L. Tao, Q. Wang, S. Dou, Z. Ma, J. Huo, S. Wang, L. Dai // Chem. Commun. - 2016. - V. 52, № 13. - P. 2764-2767.

47. Jia, Y. A defect electrocatalytic mechanism: Concept, topological structure and perspective / Y. Jia, J. Chen, X. Yao // Mater. Chem. Front. - 2018. - V. 2. - P. 1250-1268.

48. Waki, K. Non-nitrogen doped and non-metal oxygen reduction electrocatalysts based on carbon nanotubes: mechanism and origin of ORR activity / K. Waki, R. A. Wong, H. S. Oktaviano, T. Fujio, T. Nagai, K. Kimoto, K. Yamada // Energy Environ. Sci. - 2014. - V. 7. - P. 1950.

49. Lu, D. Defect-induced catalysis toward the oxygen reduction reaction in single-walled carbon nanotube: Nitrogen doped and non-nitrogen doped / D. Lu, D. Wu, J. Jin, L. Chen // Electrochimica Acta. - 2016. - V. 215. - P. 66-71.

50. Naumov, O. Carbon nanotubes as a solid acid fuel cell cathode material: Insights into in operando functional stability / O. Naumov, F. P. Lohmann, B. Abel, A. Varga // ChemElectroChem. - 2017. - V. 4, № 6. - P. 1306-1313.

51. Vidali, G. Potentials of physical adsorption / G. Vidali, G. Ihm, H.-Y. Kim, M. W. Cole // Surf. Sci. Rep. - 1991. - V. 12. - P. 133.

52. Ulbricht, H. Physisorption of molecular oxygen on single-wall carbon nanotube bundles and graphite / H. Ulbricht, G. Moos, T. Hertel // Phys. Rev. B. -2002. - V. 66. - P. 075404.

53. Giannozzi, P. Oxygen adsorption on graphite and nanotubes / P. Giannozzi, R. Car, G. Scoles // J. Chem. Phys. - 2003. - V. 118, № 3. - P. 1003.

54. Zheng, Y. Density functional theory calculations for the oxygen dissociation on nitrogen and transition metal doped graphenes / Y. Zheng, W. Xiao, M. Cho, K. Cho // Chem. Phys. Lett. - 2013. - V. 586. - P. 104-107.

55. Tang, C. Topological defects in metal-free nanocarbon for oxygen electrocatalysis / C. Tang, H.-F. Wang, X. Chen, B.-Q. Li, T.-Z. Hou, B. Zhang, Q. Zhang, M.-M. Titirici, F. Wei // Adv. Mater. - 2016. - V. 28, № 32. - P. 6845-6851.

56. Ly, Q. The oxygen reduction reaction on graphene from quantum mechanics: Comparing armchair and zigzag carbon edges / Q. Ly, B. V. Merinov, H. Xiao, W. A. Goddard, T. H. Yu // J. Phys. Chem. C. - 2017. - V. 121, № 44. - P. 24408-24417.

57. Jia, Y. Defect graphene as a trifunctional catalyst for electrochemical reactions / Y. Jia, L. Zhang, A. Du, G. Gao, J. Chen, X. Yan, C. L. Brown, X. Yao // Adv. Mater. - 2016. - V. 28, № 43. - P. 9532-9538.

58. Girit, Q. O. Graphene at the edge: Stability and dynamics / Q. O. Girit, J. C. Meyer, R. Erni, M. D. Rossell, C. Kisielowski, L. Yang, C.-H. Park, M. F. Crommie, M. L. Cohen, S. G. Louie, A. Zettl // Science. - 2009. - V. 323, № 5922. - P. 17051708.

59. Kim, Y. Dynamics and stability of divacancy defects in graphene / Y. Kim, J. Ihm, E. Yoon, G.-D. Lee // Phys. Rev. B. - 2011. - V. 84. - P. 075445.

60. Zhang, L. Role of lattice defects in catalytic activities of graphene clusters for fuel cells / L. Zhang, Q. Xu, J. Niu, Z. Xia // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - V. 17. - P. 16733-16743.

61. Bogdanovskaya, V. Modified carbon nanotubes: Surface properties and activity in oxygen reduction reaction / V. Bogdanovskaya, I. Vernigor, M. Radina, V. Sobolev, V. Andreev, N. Nikolskaya // Catalysts. - 2021. - V. 11, № 11. - P. 1354.

62. Tserpes, K. I. The effect of Stone-Wales defect on the tensile behavior and fracture of single-walled carbon nanotubes / K. I. Tserpes, P. Papanikos // Compos. Struct. - 2007. - V. 79, № 4. - P. 581-589.

63. Zhu, H. Enhanced oxygen reduction reaction activity by utilizing carbon nanotube intramolecular junctions / H. Zhu, M. Leng, X. Ge, X. Chen // Comput. Theor. Chem. - 2022. - V. 1214. 113765.

64. Chen, X. Mechanisms of fullerene and single-walled carbon nanotube composite as the metal-free multifunctional electrocatalyst for the oxygen reduction, oxygen evolution, and hydrogen evolution / X. Chen, H. Zhang, X. Li // Mol. Catal. -2021. - V. 502. - P. 111383.

65. Siahrostami, S. Theoretical investigations into defected graphene for electrochemical reduction of CO2 / S. Siahrostami, K. Jiang, M. Karamad, K. Chan, H. Wang, J. N0rskov // ACS Sustainable Chem. Eng. - 2017. - V.5, № 11. - P. 1108011085.

66. Rochefort, A. Quantum size effects in carbon nanotube intramolecular junctions / A. Rochefort, P. Avouris // Nano Letters. - 2002. - V. 2, № 3. - P. 253-256.

67. Yao Y. Temperature-mediated growth of single-walled carbon-nanotube intramolecular junctions / Y. Yao, Q. Li, J. Zhang, R. Liu, L. Jiao, Y. T. Zhu, Z. Liu // Nat. Mater. - 2007. - V. 6, № 4. - P. 283-286.

68. Xue, B. Comparison of the properties of bent and straight single-walled carbon nanotube intramolecular junctions / B. Xue, X. Shao, W. Cai // J. Chem. Theory Comput. - 2009. - V. 5, № 6. - P. 1554-1559.

69. Yu, A. Advances in ORR, OER, and HER of fullerenes and derivatives: From DFT calculations to experimental identification / A. Yu, N. Joshi, W. Zhang, Y. Yang // Adv. Sens. Energy Mater. - 2023. - V. 2. - P. 100061.

70. Puente Santiago, A. R. Fullerenes as key components for low-dimensional (photo)electrocatalytic nanohybrid materials / A. R. Puente Santiago, O. Fernandez-Delgado, A. Gomez, M. A. Ahsan, L. Echegoyen // Angew. Chem. Int. Ed. - 2021. - V. 60. - P. 122-141.

71. Guo, K. Fullerenes and derivatives as electrocatalysts: Promises and challenges / K. Guo, N. Li, L. Bao, X. Lu // Green Energy Environ. - 2024. - V. 9, № 1. - P. 7-27.

72. Wang, Y. Doped fullerene as a metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction: A first-principles study / Y. Wang, M. Jiao, W. Song, Z. Wu // Carbon. -2017. - V. 114. - P. 393-401.

73. Gao, R. C60-Adsorbed single-walled carbon nanotubes as metal-free, pH universal, and multifunctional catalysts for oxygen reduction, oxygen evolution, and hydrogen evolution / R. Gao, Q. Dai, F. Du, D. Yan, L. Dai // J. Am. Chem. Soc. -2019. - V. 141. - P. 11658-11666.

74. Zhang, J. Heteroatom-doped graphitic carbon catalysts for efficient electrocatalysis of oxygen reduction reaction / J. Zhang, L. Dai // ACS Catal. - 2015. -V. 5, № 12. - P. 7244-7253.

75. Li, J.-C. Heteroatom-doped carbon nanotube and graphene-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction / J.-C. Li, P.-X. Hou, C. Liu // Small. -2017. - V. 13, № 45. - P. 1702002.

76. Woo, J. Heteroatom-doped carbon-based oxygen reduction electrocatalysts with tailored four-electron and two-electron selectivity / J. Woo, J. S. Lim, J. H. Kim, S. H. Joo // Chem. Commun. - 2021. - V. 57. - P. 7350-7361.

77. Gutru, R. Recent progress in heteroatom doped carbon based electrocatalyst for oxygen reduction reaction in anion exchange membrane fuel cells / R. Gutru, Z. Turtayeva, F. Xu, G. Maranzana, R. Thimmappa, M. Mamlouk, A. Desforges, B. Vigolo // Int. J. Hydrog. Energy. - 2023. - V. 48. - P. 3593-3631.

78. Pushkarev, A. S. Heteroatom-modified carbon materials and their use as supports and electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells (A review) / A. S. Pushkarev, I. V. Pushkareva, M. V. Kozlova, M. A. Solovyeva, S. I. Butrim, J. Ge, W. Xing, V. N. Fateev // Russ. J. Electrochem. - 2022. - V. 58, № 7. - P. 529-561.

79. Hu, C. Doping of carbon materials for metal-free electrocatalysis / C. Hu, L. Dai // Adv. Mater. - 2019. - V. 31, № 7. - P. e1804672.

80. Yang, L. Carbon-based metal-free ORR electrocatalysts for fuel cells: Past, present, and future / L. Yang, J. Shui, L. Du, Y. Shao, J. Liu, L. Dai, Z. Hu // Adv. Mater. - 2019. - V. 31, № 13. - P. e1804799.

81. Paraknowitsch, J. P. Doping carbons beyond nitrogen: an overview of advanced heteroatom doped carbons with boron, sulphur and phosphorus for energy applications / J. P. Paraknowitsch, A. Thomas // Energy Environ. Sci. - 2013. - V. 6, № 10. - P. 2839-2855.

82. Li, X. Recent advances on heteroatom-doped porous carbon—based electrocatalysts for oxygen reduction reaction / X. Li, G. Liu, H. Zheng, K. Sun, L.

Wan, J. Cao, S. Asif, Y. Cao, W. Si, F. Wang, A. Bokhari // Energies. - 2023. - V. 16.

- P. 128.

83. Huang, S. Patterned growth and contact transfer of well-aligned carbon nanotube films / S. Huang, L. Dai, A. W. H. Mau // J. Phys. Chem. B. - 1999. - V. 103, № 21. - P. 4223-4227.

84. Zhang, J. Carbon-based electrocatalysts for advanced energy conversion and storage / J. Zhang, Z. Xia, L. Dai // Sci. Adv. - 2015. - V. 1. - P. e1500564.

85. Qu, L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells / L. Qu, Y. Liu, J.-B. Baek, L. Dai // ACS Nano. - 2010.

- V. 4. - P. 1321-1326.

86. Sheng, Z. H. Catalyst-free synthesis of nitrogen-doped graphene via thermal annealing graphite oxide with melamine and its excellent electrocatalysis / Z.-H. Sheng, L. Shao, J.-J. Chen, W.-J. Bao, F.-B. Wang, X.-H. Xia // ACS Nano. - 2011. - V. 5. -P. 4350-4358.

87. Yu, D. Highly efficient metal-free growth of nitrogen-doped single-walled carbon nanotubes on plasma-etched substrates for oxygen reduction / D. Yu, Q. Zhang, L. Dai // J. Am. Chem. Soc. - 2010. - V. 132. - P. 15127-15129.

88. Ma, R. Novel synthesis of N-doped graphene as an efficient electrocatalyst towards oxygen reduction / R. Ma, X. Ren, B. Y. Xia, Y. Zhou, C. Sun, Q. Liu, J. Liu, J. Wang // Nano Res. - 2016. - V. 9. - P. 808-809.

89. Gu, D. Facile synthesis of N-doped graphene-like carbon nanoflakes as efficient and stable electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / D. Gu, Y. Zhou, R. Ma, F. Wang, Q. Liu, J. Wang // Nano Micro Lett. - 2017. - V. 10. - P. 29.

90. Lv, Q. Selectively nitrogen-doped carbon materials as superior metal-free catalysts for oxygen reduction / Q. Lv, W. Si, J. He, L. Sun, C. Zhang, N. Wang, Z. Yang, X. Li, X. Wang, W. Deng, Y. Long, C. Huang, Y. Li / Nat. Commun. - 2018. -V. 9. - P. 3376.

91. Ayyubov, I. Nitrogen doped carbonaceous materials as platinum free cathode electrocatalysts for oxygen reduction reaction (ORR) / I. Ayyubov, E. Talas, C.

Berghian-Grosan, L. Romanszki, I. Borbath, Z. Paszti, A. Szegedi, J. Mihaly, A. Vulcu, A. Tompos // React. Kinet. Mech. Catal. - 2023. - V. 136, - P. 125-147.

92. Wang, M. Nitrogen-doped hierarchical porous carbons derived from biomass for oxygen reduction reaction / M. Wang, Y. Chen, S. Zhao, C. Zhao, G. Wang, M. Wu // Front. Chem. - 2023. - V. 11. - P. 1218451.

93. Lim, K. Nitrogen-doped carbon catalysts derived from ionic liquids in the presence of transition metals for the oxygen reduction reaction / K. Lim, H. Kim // Appl. Catal. B Environ. - 2014. - V. 158-159. - P. 355-360.

94. She, Y. Nitrogen-doped graphene derived from ionic liquid as metal-free catalyst for oxygen reduction reaction and its mechanisms / Y. She, J. Chen, C. Zhang, Z. Lu, M. Ni, P. H.-L. Sit, M. K. H. Leung // Appl. Energy. - 2018. - V. 225. - P. 513521.

95. Pham-Truong, T.-N. Nitrogen doped carbon dots embedded in poly(ionic liquid) as high efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction / T.-N. Pham-Truong, C. Ranjan, H. Randriamahazaka, J. Ghilane // Catal. Today. - 2019. - V. 335. - P. 381-387.

96. Wang, H. Review on recent progress in nitrogen-doped graphene: Synthesis, characterization, and its potential applications / H. Wang, T. Maiyalagan, X. Wang // ACS Catal. - 2012. - V. 2. - P. 781-794.

97. Daems, N. Metal-free doped carbon materials as electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / N. Daems, X. Sheng, I. F. J. Vankelecom, P. P. Pescarmona // J. Mater. Chem. A. - 2014. - V. 2, № 12. - P. 4085-4110.

98. Singh, S. K. Active sites and mechanism of oxygen reduction reaction electrocatalysis on nitrogen-doped carbon materials / S. K. Singh, K. Takeyasu, J. Nakamura // Adv. Mater. - 2019. - V. 31, № 13. - P. 1804297.

99. Mamtani K. Heteroatom-doped carbon nanostructures as oxygen reduction reaction catalysts in acidic media: An overview / K. Mamtani, U. S. Ozkan // Catal. Lett. - 2015. - V. 145. - P. 436-450.

100. Xu, F. Nitrogen-doped graphene: Synthesis, characterizations and energy applications / H. Xu, L. Ma, Z. Jin // J. Energy Chem. - V. 27, №1. - P. 146-160.

101. Chattopadhyay, J. Heteroatom-doped metal-free carbon nanomaterials as potential electrocatalysts / J. Chattopadhyay, T. S. Pathak, D. Pak // Molecules. - 2022.

- V. 27. - P. 670.

102. Zhang, Q. CO Poisoning effects on FeNC and CNx ORR catalysts: A combined experimental-computational study / Q. Zhang, K. Mamtani, D. Jain, U. S. Ozkan, A. Asthagiri // J. Phys. Chem. C. - 2016. - V. 120. - P. 15173.

103. Zhang, M. Carbon nanomaterials as metal-free catalysts in next generation fuel cells / M. Zhang, L. Dai // Nano Energy. - 2012. - V. 1. - P. 514-517.

104. Zheng, Y. Nanostructured metal-free electrochemical catalysts for highly efficient oxygen reduction / Y. Zheng, Y. Jiao, M. Jaroniec, Y. Jin, S. Z. Qiao // Small.

- 2012. - V. 8. - P. 3550-3566.

105. Liang, H.-W. Hierarchically porous carbons with optimized nitrogen doping as highly active electrocatalysts for oxygen reduction / H.-W. Liang, X. Zhuang, S. Bruller, X. Feng, K. Mullen // Nat. Commun. - 2014. - V. 5. - P. 4973.

106. Liu, J. High-performance oxygen reduction electrocatalysts based on cheap carbon black, nitrogen, and trace iron / J. Liu, X. Sun, P. Song, Y. Zhang, W. Xing, W. Xu // Adv. Mater. - 2013, - V. 25. - P. 6879-6883.

107. Masa, J. Trace metal residues promote the activity of supposedly metal-free nitrogen-modified carbon catalysts for the oxygen reduction reaction / J. Masa, A. Zhao, W. Xia, Z. Sun, B. Mei, M. Muhler, W. Schuhmann // Electrochem. Commun. - 2013. -V. 34. - P. 113-116.

108. Allred, A. L. Electronegativity values from thermochemical data / A. L. Allred // J. Inorg. Nuclear Chem. - 1961. - V. 17, № 3-4. - P. 215-221.

109. Li, B. Calibration of the basic strength of the nitrogen groups on the nanostructured carbon materials / B. Li, X. Y. Sun, D. Su // Phys. Chem. Chem. Phys. -2015. - V. 17. - P. 6691-6694.

110. Wu, B. Nitrogen-rich carbonaceous materials for advanced oxygen electrocatalysis: Synthesis, characterization, and activity of nitrogen sites / B. Wu, H. Meng, D. M. Morales, F. Zeng, J. Zhu, B. Wang, M. Risch, Z. J. Xu, T. Petit // RSC Adv. - 2019. - V. 9. - P. 6035-6041.

111. Kuzmin, A. V. Oxygen electroreduction reaction on iron, nitrogen-doped nanocarbons: Structure - reactivity relationship / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Mol. Catal. - 2024. - V. 560. - P. 114123.

112. Hu, X. Adsorption and activation of O2 on nitrogen-doped carbon nanotubes / X. Hu, Y. Wu, H. Li, Z. Zhang // J. Phys. Chem. C. - 2010. - V. 114, № 21. - P. 9603-9607.

113. Wang, D. Insights into nitrogen-doped carbon for oxygen reduction: The role of graphitic and pyridinic nitrogen species / D. Wang, J. Hu, J. Wei, X. Liu, H. Hou // ChemPhysChem. - 2023. - V. 24, № 10. - P. e202200734.

114. Ning, X. Electronic synergism of pyridinic- and graphitic-nitrogen on N-doped carbons for the oxygen reduction reaction / X. Ning, Y. Li, J. Ming, Q. Wang, H. Wang, Y. Cao, F. Peng, Y. Yang, H. Yu // Chem. Sci. - 2019. - V. 10. - P. 1589-1596.

115. Li, C. Emerging Pt-based electrocatalysts with highly open nanoarchitectures for boosting oxygen reduction reaction / C. Li, H. Tan, J. Lin, X. Luo, S. Wang, J. You, Y.-M. Kang, Y. Bando, Y. Yamauchi, J. Kim // Nano Today. - 2018. - V. 21. - P. 91-105.

116. Saidi, W. A. Oxygen reduction electrocatalysis using N-doped graphene quantum dots / W. A. Saidi // J. Phys. Chem. Lett. - 2013. - V. 4. - P. 4160-4165.

117. Guo, D. Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction clarified using model catalysts / D. Guo, R. Shibuya, C. Akiba, S. Saji, T. Kondo, J. Nakamura // Science. - 2016. - V. 351, № 6271. - P. 361-365.

118. Duan, Z. Monovacancy coupled pyridinic N site enables surging oxygen reduction activity of metal-free CNx catalyst / Z. Duan, G. Han, H. Huo, Z. Lin, L. Ge, C. Du, Y. Gao, G. Yin // ACS Sustainable Chem. Eng. - 2021. - V. 9. - P. 1264-1271.

119. Zhang, P. Size effect of oxygen reduction reaction on nitrogen-doped graphene quantum dots / P. Zhang, Q. Hu, X. Yang, X. Hou, J. Mi, L. Liu, M. Dong // RSC Adv. - 2018. - V. 8. - P. 531-536.

120. Matsuyama, H. Effect of water on the manifestation of the reaction selectivity of nitrogen-doped graphene nanoclusters toward oxygen reduction reaction / H. Matsuyama, A. Akaishi, J. Nakamura // ACS Omega. - 2019. - V. 4. - P. 3832-3838.

121. Man, I.-C. First principle studies of oxygen reduction reaction on N doped graphene: Impact of N concentration, position and co-adsorbate effect / I.-C. Man, I. Trancâ, S.-G. Sorig // Appl. Surf. Sci. - 2020. - V. 510. - P. 145470.

122. Duan, Z. Identification of active sites of pure and nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction using constant-potential calculations / Z. Duan, G. Henkelman // J. Phys. Chem. C. - 2020. - V. 124, № 22. - P. 12016-12023.

123. Chai, G.-L. Active sites and mechanisms for oxygen reduction reaction on nitrogen-doped carbon alloy catalysts: Stone-Wales defect and curvature effect / G.-L. Chai, Z. Hou, D.-J. Shu, T. Ikeda, K. Terakura // J. Am. Chem. Soc. - 2014. -V. 136, № 39. - P. 13629-13640.

124. Tian, K. Single-site pyrrolic-nitrogen-doped sp -hybridized carbon materials and their pseudocapacitance / K. Tian, J. Wang, L. Cao, W. Yang, W. Guo, S. Liu, W. Li, F. Wang, X. Li, Z. Xu, Z. Wang, H. Wang, Y. Hou // Nat. Commun. - 2020. - V. 11. - P. 3884.

125. Xia, C. Exploring the underlying oxygen reduction reaction electrocatalytic activities of pyridinic-N and pyrrolic-N doped graphene quantum dots / C. Xia, J. Feng, C. Ma, H. Xi, N. Song, H. Dong, L. Yu, L. Dong // Mol. Catal. - 2023. - V. 535, № 15. - P. 112880.

126. Ganyecz, Â. Oxygen reduction reaction on N-doped graphene: Effect of positions and scaling relations of adsorption energies / Â. Ganyecz, M. Kallay // J. Phys. Chem. C. - 2021. - V. 125. - P. 8551-8561.

127. Chaban, V. V. Nitrogen-nitrogen bonds undermine stability of N-doped graphene / V. V. Chaban, O. V. Prezhdo // J. Am. Chem. Soc. - 2015. - V. 137. - P. 11688-11694.

128. Wang, Y. Oxygen reduction reaction mechanisms on heteroatom-doped single-walled carbon nanotube catalysts: Insights from a theoretical study / Y. Wang, W. Song, M. Li, Z. Wu // J. Electrochem. Soc. - 2019. - V. 166, № 10. - P. F670-F678.

129. Xi, Z. Identification of efficient active sites in nitrogen-doped carbon nanotubes for oxygen reduction reaction / Z. Xu, Z. Zhou, B. Li, G. Wang, P. W. Leu // J. Phys. Chem. C. - 2020. - V. 124, №16. - P. 8689-8696.

130. Gíslason, P. M. Catalytic trends of nitrogen doped carbon nanotubes for oxygen reduction reaction / P. M. Gíslason, E. Skúlason // Nanoscale. - 2019. - V. 11. -P. 18683-18690.

131. Zhao, Y. Few-layer graphdiyne doped with sp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites for oxygen reduction electrocatalysis / Y. Zhao, J. Wan, H. Yao, L. Zhang, K. Lin, L. Wang, N. Yang, D. Liu, L. Song, J. Zhu, L. Gu, L. Liu, H. Zhao, Y. Li, D. Wang // Nat. Chem. -2018. - V. 10. - P. 924-931.

132. Shang, H. N-doped graphdiyne for high-performance electrochemical electrodes / H. Shang, Z. Zuo, H. Zheng, K. Li, Z. Tu, Y. Yi , H. Liu, Y. Li, Y. Li // Nano Energy. - V. 44. - P. 144-154.

133. Wang, Y. DFT Investigation of the oxygen reduction reaction over nitrogen (N) doped graphdiyne as an electrocatalyst: the importance of pre-adsorbed OH* and the solvation effect / Y. Wang, T. N. Pham, H. H. Halim, L. Yan, Y. Morikawa // Mater. Adv. - 2023. - V. 4. - P. 6542-6552.

134. González, I. Z. Si-CN for the oxygen reduction reaction in alkaline media, the effect of synthesis temperature / I. Z. González, A. M. Valenzuela-Muñiz, Y. Verde-Gómez // Int. J. Hydrog. Energy. - 2022. - V. 47, № 70. - P. 30187-30195.

135. Chodvadiya, D. Enhancement in the catalytic activity of two-dimensional a-CN by B, Si and P doping for hydrogen evolution and oxygen evolution reactions / D.

Chodvadiya, N. N. Som, P. K. Jha, B. Chakraborty // Int. J. Hydrog. Energy. - 2021. -V. 46, № 43. - P. 22478-22498.

136. Fang, L. Chemical bonding and activity of atomically dispersed silicon in two- and three-dimensional materials / L. Fang, X. Cao, Z. Cao // J. Phys. Chem. Lett. -2023. - V. 14. - P. 11125-11133.

137. González, I. Z. Silicon doped carbon nanotubes as high energy anode for lithium-ion batteries / I. Z. González, H.-C. Chiu, R. Gauvin, G. P. Demopoulos, Y. Verde-Gómez // Mater. Today Commun. - 2022. - V. 30. - P. 103158.

138. Antolini, E. The use of silicon in the membrane electrode assembly of fuel cells / E. Antolini // ChemCatChem. - 2024. - P. e202301443.

139. Luo, Y.-R. BDEs of Si-, Ge-, Sn-, and Pb-X bonds [Text] / Y.-R. Luo // Comprehensive Handbook of Chemical Bond Energies / Y.-R. Luo. - 1st Ed. - Boca Raton, 2007. - Ch. 9. - P. 455-478.

140. Zhang, P. From two-dimension to one-dimension: the curvature effect of silicon-doped graphene and carbon nanotubes for oxygen reduction reaction / P. Zhang, X. Hou, J. Mi, Y. He, L. Lin, Q. Jiang, M. Dong // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2014. -V. 16. - P. 17479-17486.

141. Chen, W. Theoretical study on the catalytic properties of single-atom catalyst stabilised on silicon-doped graphene sheets / W. Chen, G. Zhao, B. Wu, Y. Tang, D. Teng, X. Da // Mol. Phys. - 2020. - V. 118, № 7. - P. e1652368.

142. Chowdhury, C. Silicon doped nitrogen coordinated graphene as electrocatalyst for oxygen reduction reaction / C. Chowdhury, A. Datta // J. Phys. Chem. C. - 2018. - V. 122, № 48. - P. 27233-27240.

143. Zhang, X. The mechanism and activity of oxygen reduction reaction on single atom doped graphene: A DFT method / X. Zhang, Z. Xia, H. Li, S. Yu, S. Wang, G. Sun // RSC Adv. - 2019. - V. 9. - P. 7086-7093.

144. Ващенко, А. В. Si-Допированные одностенные углеродные нанотрубки как потенциальные катализаторы реакции восстановления кислорода / А. В. Ващенко, А. В. Кузьмин, Б. А. Шаинян // ЖОХ. - 2020. - Т. 90, № 3. - С. 483-489.

145. Kuzmin, A. V. Single Si-doped graphene as a catalyst in oxygen reduction reactions: An in silico study / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // ACS Omega. - 2020. -V. 5. - P. 15268-15279.

146. Vashchenko, A. V. Single Si-doped fullerene as a catalyst in the oxygen reduction reaction: A quantum chemical insight / A. V. Vashchenko, A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Int. J. Quantum Chem. - 2021. - V. 121, № 7. - P. e26565.

147. Kuzmin, A. V. Silicon-, nitrogen-doped single-walled carbon nanotubes as oxygen reduction reaction catalysts / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Russ. J. Gen. Chem. - 2022. - V. 92, № 11. - P. 2458-2464.

148. Кузьмин, А. В. DFT Моделирование реакции электровосстановления кислорода на SiNs-допированных углеродных нанотрубках / А. В. Кузьмин // ЖОХ. - T. 94, № 5. - С. 649-658.

149. Sungur, B. Scalable synthesis of nitrogen and nitrogen-silicon co-doped graphene: SiC4 and SiN1C3 as new active centers for boosting ORR performance // B. Sungur, Q. Kizil, E. Bayram // Int. J. Hydrog. Energy. - 2023. - V. 48, № 46. - P. 17512-17525.

150. Xu, Z. Converting Metallic single-walled carbon nanotubes into semiconductors by boron/nitrogen co-doping / Z. Xu, W. Lu, W. Wang, C. Gu, K. Liu, X. Bai, E. Wang, H. Dai // Adv. Mater. - 2008. - V. 20, № 19. - P. 3615-3619.

151. González, I. Z. Influence of the synthesis temperature and silicon concentration on the properties of Si doped MWCNT / I. Z. González, A. M. Valenzuela-Muñiz, R. Gauvin, M. Miki-Yoshida, Y. Verde-Gómez // Diam. Relat. Mater. - 2020. - V. 104. - P. 107743.

152. Liu, Z. Novel silicon-doped, silicon and nitrogen-codoped carbon nanomaterials with high activity for oxygen reduction reaction in alkaline medium / Z. Liu, X. Fu, M. Li, F. Wang, Q. Wang, G. Kang, F. Peng // J. Mater. Chem. A. - 2015. -V. 3. - P. 3289-3293.

153. Kim, H. S. Single-atom oxygen reduction reaction electrocatalysts of Fe, Si, and N co-doped carbon with 3D interconnected mesoporosity / H. S. Kim, C. H. Lee, J.-

H. Jang, M. S. Kang, H. Jin, K.-S. Lee, S. U. Lee, S. J. Yoo, W. C. Yoo // J. Mater. Chem. A. - 2021. - V. 9. - P. 4297-4309.

154. Bai, H. Zigzag single-walled carbon nanotubes substitutionally doped by silicon: A density functional theory study / H. Bai, N. Yuan, Y. Wu, J. Li, Y. Ji // Fuller. Nanotub. Carbon Nanostructures. - 2014. - V. 23. - P. 203-208.

155. Bian, R. Silicon-doping in carbon nanotubes: formation energies, electronic structures, and chemical reactivity / R. Bian, J. Zhao, H. Fu // J. Mol. Model. - 2013. -V. 19. - P. 1667-1675.

156. Yuan, N. First principle simulations on silicon-doped armchair single walled carbon nanotubes of various diameters / N. Yuan, H. Bai, Y. Ma, Y. Ji // Phys. E: Low-Dimens. Syst. Nanostructures. - 2014. - V. 64. - P. 195-203.

157. Cao, X. Selective spin injection of g-SiC6 monolayer for dioxygen activation / X. Cao, Y. Xiang, S. Wu, Z.-Z. Zhu, X.-F. Li // Appl. Surf. Sci. - 2023. - V. 613. - P. 155911.

158. Asghar, H. Silicon-based carbonaceous electrocatalysts for oxygen reduction and evolution properties in alkaline conditions / H. Asghar, M. A. Iqbal, M. A. Iqbal // SN Appl. Sci. - 2019. - V. 1. - P. 1396.

159. Bai, X. Theoretical investigation on the reaction pathways for oxygen reduction reaction on silicon doped graphene as potential metal-free catalyst / X. Bai, E. Zhao, K. Li, Y. Wang, M. Jiao, F. He, X. Sun, H. Sun, Z. Wu // J. Electrochem. Soc. -2016. - V. 163. - P. F1496-F1502.

160. Esrafili, M. D. Computational investigation of oxygen reduction reaction mechanisms on Si- and Al-doped graphene: A Comparative Study / M. D. Esrafili, P. A. Nematollahi // Adv. Mater. Lett. - 2015. - V. 6. - P. 527-530.

161. Golzani, M. A computational insight into the intrinsic, Si-decorated and vacancy-defected y-graphyne nanoribbon towards adsorption of CO2 and O2 molecules / M. Golzani, M. Poliki, M. Golzani, A. Tadjarodi // Appl. Surf. Sci. - 2023. - V. 610. -P. 155510.

162. No rskov, J. K. The nature of the active site in heterogeneous metal catalysis / J. K. Norskov, T. Bligaard, B. Hvolbaek, F. Abild-Pedersen, I. Chorkendorff, C. H. Christensen // Chem. Soc. Rev. - 2008. - V. 37. - P. 2163-2171.

163. Saeidi, N. NO electrochemical reduction over Si-N4 embedded graphene: A DFT investigation / N. Saeidi, M. D. Esrafili, J. J. Sardroodi // Appl. Surf. Sci. - 2021. -V. 544. - P. 148869.

164. Byeon, A. Recent progress in heteroatom-doped carbon electrocatalysts for the two-electron oxygen reduction reaction / A. Byeon, W. C. Yun, J. M. Kim, J. W. Lee // Chem. Eng. - 2023. - V. 456. - P. 141042.

165. Zhang, P. Heteroatom-doped carbon dots based catalysts for oxygen reduction reactions / P. Zhang, J.-S. Wei, X.-B. Chen, H.-M. Xiong / J. Colloid Interface Sci. - 2019. - V. 537. - P. 716-724.

166. Liu, X. Carbon-based metal-free catalysts / X. Liu, L. Dai // Nat. Rev. Mat. -2016. - V. 1. - P. 16064.

167. Jeon, I.-Y. Edge-selectively sulfurized graphene nanoplatelets as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction: The electron spin effect / I.-Y. Jeon, S. Zhang, L. Zhang, H.-J. Choi, J.-M. Seo, Z. Xia, L. Dai, J.-B. Baek // Adv. Mater. - 2013. - V. 25, № 42. - P. 6138-6145.

168. Banerjee, P. Computationally exploring the role of S-dopant and S-linker in activating the catalytic effciency of graphene quantum dot for ORR / P. Banerjee, G. P. Das, R. Thapa // Catal. Today. - 2021. - V. 370. - P. 36-45.

169. Sun, Y. Sulfur-doped carbon spheres as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction / Electrochim. Acta. - 2015. - V. 178. - P. 806-812.

170. Maiti, U. N. Self-size-limiting nanoscale perforation of graphene for dense heteroatom doping / U. N. Maiti, R. Thapa, J. Lim, D. J. Li, K. H. Kim, S. O. Kim // ACS Appl. Mater. Interfaces - 2015. - V. 7. - P. 25898-25905.

171. Macias, E. M. Sulfur doped carbon nanohorns towards oxygen reduction reaction / E. M. Macias, A. M. Valenzuela-Muñiz, G. Alonso-Núñez, M. H. F. Sánchez, R. Gauvin, Y. V. Gómez // Diam. Relat. Mater. - 2020. - V. 103. - P. 107671.

172. Lu, Z. Sulfur doped graphene as a promising metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction: A DFT-D study / Z. Lu, S. Li, C. Liu, C. He, X. Yang, D. Ma, G. Xu, Z. Yang // RSC Adv. - 2017. - V. 7. - P. 20398-20405.

173. Tavakol, H. A sulfur doped carbon nanotube as a potential catalyst for the oxygen reduction reaction / H. Tavakol, F. Keshavarzipour // RSC Adv. - 2016. - V. 6. - P. 63084-63090.

174. Zhao, R. Doping engineering on carbons as electrocatalysts for oxygen reduction reaction / R. Zhao, Y. Chen, S. Huang / Fundamental Research. - 2021. - V. 1. - P. 807-823.

175. Liu, Z. Sulfur-nitrogen co-doped three-dimensional carbon foams with hierarchical pore structures as efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reactions / Z. Liu, H. Nie, Z. Yang, J. Zhang, Z. Jin, Y. Lu, Z. Xiao, S. Huang // Nanoscale. - 2013. - V. 5. - P. 3283-3288.

176. Song, Z. Origin of the high oxygen reduction reaction of nitrogen and sulfur co-doped MOF-derived nanocarbon electrocatalyst / Z. Song, W. Liu, N. Cheng, M. N. Banis, X. Li, Q. Sun, B. Xiao, Y. Liu, A. Lushington, R. Li, L. Liu, X. Sun // Mater. Horiz. - 2017. - V. 4. - P. 900-907.

177. Fazio, G. Computational electrochemistry of doped graphene as electrocatalytic material in fuel cells / G. Fazio, L. Ferrighi, D. Perilli, C. D. Valentin // Int. J. Quantum Chem. - 2016, - V. 116. - P. 1623-1640.

178. Fazio, G. Boron-doped graphene as active electrocatalyst for oxygen reduction reaction at a fuel-cell cathode / G. Fazio, L. Ferrighi, C. D. Valentin // J. Catal. - 2014, - V. 318. - P. 203-210.

179. Cheng, Y. Boron doped multiwalled carbon nanotubes as catalysts for oxygen reduction reaction and oxygen evolution reaction in alkaline media / Y. Cheng, Y. Tian, X. Fan, J. Liu, C. Yan / Electrochim. Acta. - 2014. - V. 143. - P. 291-296.

180. Yang, L. Boron-doped carbon nanotubes as metal-free electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / L. Yang, S. Jiang, Y. Zhao, L. Zhu, S. Chen, X. Wang,

Q. Wu, J. Ma, Y. Ma, Z. Hu // Angew. Chem. Int. Ed. - 2011. - V. 50, № 31. - P. 7132-7135.

181. Che, Z. Progress of nonmetallic electrocatalysts for oxygen reduction reactions / Z. Che, Y. Yuan, J. Qin, P. Li, Y. Chen, Y. Wu, M. Ding, F. Zhang, M. Cui, Y. Guo, S. Wang // Nanomaterials. - 2023. - V. 13. - P. 1945.

182. Suo, N. A novel method of synthesizing boron-doped carbon catalysts / N. Suo, H. Huang, A. M. Wu, G. Z. Cao, G. F. Zhang // Fuel Cells. - 2018. - V. 18. - P. 681-687.

183. Xia, Y. Highly active and selective oxygen reduction to H2O2 on boron-doped carbon for high production rates / Y. Xia, X. Zhao, C. Xia, Z.-Y. Wu, P. Zhu, J. Y. Kim, X. Bai, G. Gao, Y. Hu, J. Zhong, Y. Liu, H. Wang // Nat. Commun. - 2021. -V. 12. - P. 4225.

184. Chen, S. Designing boron nitride islands in carbon materials for efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide / S. Chen, Z. Chen, S. Siahrostami, D. Higgins, D. Nordlund, D. Sokaras, T. R. Kim, Y. Liu, X. Yan, E. Nilsson, R. Sinclair, J. K. N0rskov, T. F. Jaramillo, Z. Bao // J. Am. Chem. Soc. - 2018. - V. 140. - P. 78517859.

185. Li, X. Identifying active sites of boron, nitrogen co-doped carbon materials for the oxygen reduction reaction to hydrogen peroxide / X. Li, X. Wang, G. Xiao, Y. Zhu // J. Colloid Interface Sci. - 2021. - V. 602. - P. 799-809.

186. Jiao, Y. Origin of the electrocatalytic oxygen reduction activity of graphene-based catalysts: A roadmap to achieve the best performance / Y. Jiao, Y. Zheng, M. Jaroniec, S. Z. Qiao // J. Am. Chem. Soc. - 2014. - V. 136, № 11. - P. 4394-4403.

187. Ashraf, M. A. Examination of potential of B-CNT (6, 0), Al-CNT (6, 0) and Ga-CNT (6, 0) as novel catalysts to oxygen reduction reaction: A DFT study / M. A. Ashraf, Z. Liu, C. Li, W.-X. Peng, M. Najafi // J. Mol. Liquids. - 2019. - V. 290. - P. 111366.

188. Zhao, Y. Can boron and nitrogen co-doping improve oxygen reduction reaction activity of carbon nanotubes? / Y. Zhao, L. Yang, S. Chen, X. Wang, Y. Ma, Q.

Wu, Y. Jiang, W. Qian, Z. Hu // J. Am. Chem. Soc. - 2013. - V. 135. - P. 1201-1204.

189. Zhan, X. Phosphorus-doped graphene electrocatalysts for oxygen reduction reaction / X. Zhan, X. Tong, M. Gu, J. Tian, Z. Gao, L. Ma, Y. Xie, Z. Chen, H. Ranganathan, G. Zhang, S. Sun // Nanomaterials. - 2022. - V. 12, № 7. - P. 1141.

190. Liu, Z.-W. Phosphorus-doped graphite layers with high electrocatalytic activity for the O2 reduction in an alkaline medium / Z.-W. Liu, F. Peng, H.-J. Wang, H. Yu, W.-X. Zheng, J. Yang / Angew. Chem. Int. Ed. - 2011. - V. 50, № 14. - P. 33573261.

191. Some, S. Highly air-stable phosphorus-doped n-type graphene field-effect transistors / S. Some, J. Kim, K. Lee, A. Kulkarni, Y. Yoon, S. Lee, T. Kim, H. Lee // Adv. Mater. - 2012. - V. 24, № 40. - P. 5481-5486.

192. Chu, K. Phosphorus doped and defects engineered graphene for improved electrochemical sensing: Synergistic effect of dopants and defects / K. Chu, F. Wang, Y. Tian, Z. Wei // Electrochim. Acta. - 2017. - V. 231. - P. 557-564.

193. Yang, N. Influence of phosphorus configuration on electronic structure and oxygen reduction reactions of phosphorus-doped graphene / N. Yang, X. Zheng, L. Li, J. Li, Z. Wei // J. Phys. Chem. C. - 2017. - V. 121. - P. 19321-19328.

194. Zhow, W. Selective H2O2 electrosynthesis by O-doped and transition-metal-O-doped carbon cathodes via O2 electroreduction: A critical review / W. Zhou, L. Xie, J. Gao, R. Nazari, H. Zhao, X. Meng, F. Sun, G. Zhao, J. Ma // Chem. Eng. J. - 2021. -V. 410. - P. 128368.

195. Xie, L. Understanding the activity origin of oxygen-doped carbon materials in catalyzing the two-electron oxygen reduction reaction towards hydrogen peroxide generation / L. Xie, W. Zhou, Z. Qu, Y. Ding, J. Gao, F. Sun, Y. Qin // J. Colloid Interface Sci. - 2022. - V. 610. - P. 934-943.

196. Chen, Z. Oxygen-doped hierarchical porous carbon with improved selectivity of hydrogen peroxide in an oxygen reduction reaction / Z. Chen, Y. Li, M. Wu, Y. Cao // Energy Fuels. - 2021. - V. 35. - P. 2665-2673.

197. Lu, Z. High-efficiency oxygen reduction to hydrogen peroxide catalysed by oxidized carbon materials / Z. Lu, G. Chen, S. Siahrostami, Z. Chen, K. Liu, J. Xie, L. Liao, T. Wu, D. Lin, Y. Liu, T. F. Jaramillo, J. K. N0rskov, Y. Cui // Nat. Catal. - 2018.

- V. 1, № 2. - P. 156-162.

198. Wang, W. Self-powered and highly efficient production of H2O2 through a Zn-air battery with oxygenated carbon electrocatalyst / W. Wang, Y. Hu, Y. Liu, Z. Zheng, S. Chen // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2018. - V. 10, № 38. - P. 3185531859.

199. Song, Y. DFT understanding of the oxygen reduction to hydrogen peroxide on graphene modified by oxygen functional groups / Y. Song, C. Hu, C. Li, X. Xu // J. Phys. Chem. C. - 2024. - V. 128, № 13. - P. 5590-5596.

200. Dyjak, S. Selenium-doped carbon materials: synthesis and applications for sustainable technologies / S. Dyjak, B. J. Jankiewicz, S. Kaniecki, W. Kicinski // Green Chem. - 2024. - V. 26. - P. 2985-3020.

201. Jin, Z. Metal-free selenium doped carbon nanotube/graphene networks as a synergistically improved cathode catalyst for oxygen reduction reaction / Z. Jin, H. Nie, Z. Yang, J. Zhang, Z. Liu, X. Xu, S. Huang // Nanoscale. - 2012. - V. 4. - P. 64556460.

202. Choi, C. H. Doping of chalcogens (sulfur and/or selenium) in nitrogen-doped graphene-CNT self-assembly for enhanced oxygen reduction activity in acid media // C. H. Choi, M. W. Chung, Y. J. Jun, S. I. Woo / RSC Adv. - 2013. - V. 3. - P. 12417-12422.

203. Kicinski, W. Transition metal impurities in carbon-based materials: Pitfalls, artifacts and deleterious effects / W. Kicinski, S. Dyjak // Carbon. - 2020. - V. 168. - P. 748-845.

204. Pal, S. Selenium-coupled reduced graphene oxide as single-atom site catalyst for direct four-electron oxygen reduction reaction / S. Pal, S. Bawari, T. Veettil Vineesh, N. Shyaga, T. N. Narayanan // ACS Appl. Energy Mater. - 2019. - V. 2, № 5.

- P. 3624-3632.

205. Hu, H. Atomically dispersed selenium sites on nitrogen-doped carbon for efficient electrocatalytic oxygen reduction / H. Hu, J. Wang, B. Cui, X. Zheng, J. Lin, Y. Deng, X. Han // Angew. Chem., Int. Ed. - 2022. - V. 61, № 3. - P. e202114441.

206. Wang, B. Non-N-doped carbons as metal-free electrocatalysts / B. Wang, B. Liu, L. Dai // Adv. Sustain. Syst. - 2021. - V. 5, № 1. - P. 2000134.

207. Jeon, I.-Y. Facile, scalable synthesis of edge-halogenated graphene nanoplatelets as efficient metal-free eletrocatalysts for oxygen reduction reaction / I.-Y. Jeon, H.-J. Choi, M. Choi, J.-M. Seo, S.-M. Jung, M.-J. Kim, S. Zhang, L. Zhang, Z. Xia, L. Dai, N. Park, J.-B. Baek // Sci. Rep. - 2013. - V. 3. - P. 1810.

208. Peera, S. G. Oxygen reduction electrochemistry at F doped carbons: A review on the effect of highly polarized C-F bonding in catalysis and stability of fuel cell catalysts / S. G. Peera, R. S. Menon, S. K. Das, A. Alfantazi, K. Karuppasamy, C. Liu, A. K. Sahu // Coord. Chem. Rev. - 2024. - V. 500. - P. 215491.

209. Yao, Z. Catalyst-free synthesis of iodine-doped graphenevia a facile thermal annealing process and its use for electrocatalytic oxygen reduction in an alkaline medium / Z. Yao, H. Nie, Z. Yang, X. Zhou, Z. Liu, S. Huang // Chem. Commun. -2012. - V. 48. - P. 1027-1029.

210. Kakaei, K. Hierarchically porous fluorine-doped graphene nanosheets as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in gas diffusion electrode / K. Kakaei, A. Balavandi // J. Colloid Interface Sci. - 2017. - V. 490. - P. 819-824.

211. Sun, X. Fluorine-doped carbon blacks: Highly efficient metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reaction / X. Sun, Y. Zhang, P. Song, J. Pan, L. Zhuang, W. Xu, W. Xing // ACS Catal. - 2013. - V. 3, № 8. - P. 1726-1729.

212. Ishizaki, T. Effects of halogen doping on nanocarbon catalysts synthesized by a solution plasma process for the oxygen reduction reaction / T. Ishizaki, Y. Wada, S. Chiba, S. Kumagai, H. Lee, A. Serizawa, O. L. Li, G. Panomsuwan // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2016. - V. 18, - P. 21843-21851.

213. Zboril, R. Graphene fluoride: A stable stoichiometric graphene derivative and its chemical conversion to graphene / R. Zboril, F. Karlicky, A. B. Bourlinos, T. A.

Steriotis, A. K. Stubos, V. Georgakilas, K. Safarova, D. Jancik, C. Trapalis, M. Otyepka // Small. - 2010. - V. 6, № 24. - P. 2885-2891.

214. Guo, J. Fluorine-doped graphene with an outstanding electrocatalytic performance for efficient oxygen reduction reaction in alkaline solution / J. Guo, J. Zhang, H. Zhao, Y. Fang, K. Ming, H. Huang, J. Chen, X. Wang // R. Soc. Open Sci. -2018. - V. 5. - P. 180925.

215. Chang, Y. The fluorine-doped and defects engineered carbon nanosheets as advanced electrocatalysts for oxygen electroreduction / Y. Chang, J. Chen, J. Jia, X. Hu, H. Yang, M. Jia, Z. Wen // Appl. Catal. B: Environ. - 2021. - V. 284. - P. 119721.

216. Humphrey, N. Comparing the oxygen reduction reaction on selectively edge halogen doped graphene from quantum mechanics / N. Humphrey, R. Rodriguez, G. Arias, E. Thai, E. Muro, B. V. Merinov, W. A. Goddard, T. H. Yu // J. Catal. - 2020. -V. 381. - P. 295-307.

217. Shi, Z. Metal-nitrogen-doped carbon materials as highly efficient catalysts: Progress and rational design / Z. Shi, W. Yang, Y. Gu, T. Liao, Z. Sun // Adv. Sci. -2020. - V. 7. - P. 2001069.

218. Zhao, C. X. Intrinsic electrocatalytic activity regulation of M-N-C singleatom catalysts for the oxygen reduction reaction / C.-X. Zhao, B.-Q. Li, J.-N. Liu, Q. Zhang // Angew.Chem. Int. Ed. - 2021. - V. 60. - P. 4448-4463.

219. Li, X. Active sites identification and engineering of M-N-C electrocatalysts toward oxygen reduction reaction / X. Li, D. Wang, S. Zha, Y. Chu, L. Pan, M. Wu, C. Liu, W. Wang, N. Mitsuzaki, Z. Chen // Int. J. Hydrog. Energy. - 2024. - V. 51. - P. 1110-1127.

220. Irmawati, Y. Advances and perspective of noble-metal-free nitrogen-doped carbon for pH-universal oxygen reduction reaction catalysts / Y. Irmawati, B. Prakoso, F. Balqis, Indriyati, R. Yudianti, F. Iskandar, A. Sumboja // Energy Fuels. - 2023. - V. 37, № 7. - P. 4858-4877.

221. Luo, F. P-block single-metal-site tin/nitrogen-doped carbon fuel cell cathode catalyst for oxygen reduction reaction / F. Luo, A. Roy, L. Silvioli, D. A. Cullen, A.

Zitolo, M. T. Sougrati, I. C. Oguz, T. Mineva, D. Teschner, S. Wagner, J. Wen, F. Dionigi, U. I. Kramm, J. Rossmeisl, F. Jaouen, P. Strasser // Nat. Mat. - 2020. - V. 19. - P. 1215-1223.

222. Asset, T. Iron-Nitrogen-Carbon catalysts for proton exchange membrane fuel cells / T. Asset, P. Atanassov // Joule. - 2020. - V. 4. - P. 33-44.

223. Watson, B. J. Understanding relative metal prices and availability: Combining physical and economic perspectives / B. J. Watson, R. G. Eggert // J. Ind. Ecol. - 2021. - V. 25, № 4. - P. 890-899.

224. Li, B. Mechanistic insights into metal, nitrogen doped carbon catalysts for oxygen reduction: Progress in computational modeling / B. Li, E. F. Holby, G. Wang // J. Mater. Chem. A. - 2022. - V. 10. - P. 23959-23972.

225. Osmieri L. Transition Metal-Nitrogen-Carbon (M-N-C) catalysts for oxygen reduction reaction. Insights on synthesis and performance in polymer electrolyte fuel cells / L. Osmieri // Chem. Eng. - 2019. - V. 3. - P. 16.

226. Wu, S. Recent advances in metal-organic frameworks derived electrocatalysts for oxygen reduction reaction / S. Wu, X. Qu, J. Zhu, X. Liu, H. Mao, K. Wang, G. Zhou, J. Chi, L. Wang // Int. J. Hydrog. En. - 2022. - V. 47, № 51. - P. 21634-21661.

227. Cui, L. Fabrication of Fe3C caged in N doped carbon nanotube as a desirable ORR electrocatalyst by a facile method / L. Cui, Q. Zhang, X. He // J. Electroanal. Chem. - 2020. - V. 871. - P. 114316.

228. Gao, D. Nitrogen-doped carbon nanotubes filled with Fe3C nano wires for efficient electrocatalytic oxygen reduction / D. Gao, L. Zheng, L. Hu, Y. Li, H. Liu, Y. Xue, F. Liu, J. Zhang, C. Tang // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. - 2022. -V. 654, № 5. - P. 130095.

229. Fasulo, F. Role of defect driven surface reconstructions in transition metal oxide electrocatalysis towards OER/ORR: a quantum-mechanical perspective / F. Fasulo, A. Massaro, A. Pecoraro, A. B. Munoz-Garcia, M. Pavone // Curr. Opin. Electrochem. - 2023. - V. 42. - P. 101412.

230. N0rskov, J. K. Density functional theory in surface chemistry and catalysis / J. K. N0rskov, F. Abild-Pedersen, F. Studt, T. Bligaard // PNAS. - V. 108, № 3. - P. 937-943.

231. Zhang, J. A density functional theory study on mechanism of electrochemical oxygen reduction on FeN4-graphene / J. Zhang, Z. Wang, Z. Zhu, Q. Wang // J. Electrochem. Soc. - 2015. - V. 162. - P. F796-F801.

232. Lefevre, M. Fe-based catalysts for the reduction of oxygen in polymer electrolyte membrane fuel cell conditions: Determination of the amount of peroxide released during electroreduction and its influence on the stability of the catalysts / M. Lefevre, J. P. Dodelet // Electrochim. Acta - 2003. - V. 48. - P. 2749-2760.

233. Matsumoto, K. Thermally controlled construction of Fe-Nx active sites on the edge of a graphene nanoribbon for an electrocatalytic oxygen reduction reaction / K. Matsumoto, A. Onoda, T. Kitano, T. Sakata, H. Yasuda, S. Campidelli, T. Hayashi // ACS Appl. Mater. Interfaces - 2021. - V. 13. - P. 15101-15112.

234. Zhang, J. The inherent kinetic electrochemical reduction of oxygen into H2O on FeN4-Carbon: A density functional theory study / J. Zhang, Z. Wang, Z. Zhu // J. Power Sources. - 2014. - V. 255. - P. 65-69.

235. Wang, Y. Self-adjusting activity induced by intrinsic reaction intermediate in Fe-N-C single-atom catalysts // Y. Wang, Y. J. Tang, K. Zhou // J. Am. Chem. Soc.

- 2019. - V. 141. - P. 14115-14119.

236. Qin, Y. Potential-dependent oxygen reduction on FeN4 under explicit solvation environment / Y. Qin, P. Li, Z. Li, T. Wu, Y. Su // J. Phys. Chem. C. - 2023.

- V. 127. - P. 4934-4941.

237. Xu, H. A universal principle for a rational design of single-atom electrocatalysts / H. Xu, D. Cheng, D. Cao, X. C. Zeng // Nat. Catal. - 2018. - V. 1. - P. 339-348.

238. Cherif, M. Non-PGM electrocatalysts for PEM fuel cells: A DFT study on the effects of fluorination of FeNx-doped and N-doped carbon catalysts / M. Cherif, J.-

P. Dodelet, G. Zhang, V. P. Glibin, S. Sun, F. Vidal // Molecules. - 2021. - V. 26. - P. 7370.

239. Liu, K. Electrochemical and computational study of oxygen reduction reaction on nonprecious transition metal/nitrogen doped carbon nanofibers in acid medium / K. Liu, S. Kattel, V. Mao, G. Wang // J. Phys. Chem. C. - 2016. - V. 120, № 3. - P. 1586-1596.

240. Li, J. Atomically dispersed manganese catalysts for oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells / J. Li, M. Chen, D. A. Cullen, S. Hwang, M. Wang, B. Li, K. Liu, S. Karakalos, M. Lucero, H. Zhang, C. Lei, H. Xu, G. E. Sterbinsky, Z. Feng, D. Su, K. L. More, G. Wang, Z. Wang, G. Wu // Nat. Catal. -

2018. - V. 1. - P. 935-945.

241. Wang, Y. Self-adjusting activity induced by intrinsic reaction intermediate in Fe-N-C single-atom catalysts / Y. Wang, Y.-J. Tang, K. Zhou // J. Am. Chem. Soc. -

2019. - V. 141, № 36. - P. 14115-14119.

242. Sheng, J. Applications of carbon nanotubes in oxygen electrocatalytic reactions / J. Sheng, Y. Li // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2022. - V. 14, № 18. - P. 20455-20462.

243. Yoon, S. H. Computational characterization of nitrogen-doped carbon nanotube functionalized by Fe adatom and Fe substituent for oxygen reduction reaction / S. H. Yoon, C. Yu, A. Han, H. Park, N. Elbashir, D. S. Han // Appl. Surf. Sci. - 2019. - V. 485. - P. 342-352.

244. Gao, F. Catalytic reaction on FeN4/C site of nitrogen functionalized carbon nanotubes as cathode catalyst for hydrogen fuel cells / F. Gao, G. L. Zhao, Z. Wang, D. Bagayoko, D.J. Liu // Cat. Comm. - 2015. - V. 62. - P. 79-82.

245. Chen, X. DFT Study of the oxygen reduction reaction activity on Fe-N4-patched carbon nanotubes: The Influence of the diameter and length / X. Chen, R. Hu, F. Bai // Materials (Basel). - 2017. - V. 10. - P. 549.

246. Han, Y. Electronic structure engineering to boost oxygen reduction activity by controlling the coordination of the central metal / Y. Han, Y. Wang, R. Xu, W. Chen,

L. Zheng, A.Han, Y. Zhu, J. Zhang, H. Zhang, J. Luo, C. Chen, Q. Peng, D. Wang, Y. Li // Energy Environ. Sci. - 2018. - V. 11. - P. 2348-2352.

247. Wiesener, K. N4-Chelates as electrocatalyst for cathodic oxygen reduction / K. Wiesener // Electrochim. Acta. - 1986. - V. 31, № 8. - P. 1073-1078.

248. Nallathambi, V. Development of high performance carbon composite catalyst for oxygen reduction reaction in PEM Proton Exchange Membrane fuel cells / V. Nallathambi, J.-W. Lee, S. P. Kumaraguru, G. Wu, B. N. Popov // J. Power Sources. - 2008. - V. 183, № 1. - P. 34-42.

249. Abidin, A. F. Z. Comparative density functional theory study for predicting oxygen reduction activity of single-atom catalyst / A. F. Z. Abidin, I. Hamada // Surf. Sci. - 2022. - V. 724. - P. 122114.

250. Jung, E. Atomic-level tuning of Co-N-C catalyst for high-performance electrochemical H2O2 production / E. Jung, H. Shin, B.-H. Lee, V. Efremov, S. Lee, H. S. Lee, J. Kim, W. H. Antink, S. Park, K.-S. Lee, S.-P. Cho, J. S. Yoo, Y.-E. Sung, T. Hyeon // Nat. Mater. - 2020. - V. 634. - P. 436-442.

251. Chen, Y. Oxygen functional groups regulate cobalt-porphyrin molecular electrocatalyst for acidic H2O2 electrosynthesis at industrial-level current / Y. Chen, C. Zhen, Y. Chen, H. Zhao, Y. Wang, Z. Yue, Q. Wang, J. Li, M. D. Gu, Q. Cheng, H. Yang // Angew.Chem. Int. Ed. - 2024. - V. 63, № 34. - P. e202407163.

252. Wang, N. Recent progress of electrochemical production of hydrogen peroxide by two-electron oxygen reduction reaction / N. Wang, S. Ma, P. Zuo, J. Duan, B. Hou // Adv. Sci. - 2021. - V. 8, № 15. - P. 2100076.

253. Zhang, W. Penta nitrogen coordinated cobalt single atom catalysts with oxygenated carbon black for electrochemical H2O2 production / W. Zhang, J. W. Choi, S. Kim, T. T. Le, S. Nandy, C.-K. Hwang, S. Y. Paek, A. Byeon, K. H. Chae, S. Y. Lee, S. H. Kim, H. Song, J. Kim, J. Oh, J. W. Lee, S. S. Han, J. M. Kim // Appl. Catal. B: Environ. - 2023. - V. 331. - P. 122712.

254. Singh, A. Revealing the mechanism and activity of O2 reduction reaction of Co nanocluster encapsulated by carbon nanotube / A. Singh, S. Pakhira // Energy Fuels.

- 2024. - V. 38, № 13. - P. 11837-11851.

255. Cho, A. Computational screening of single-metal-atom embedded graphene-based electrocatalysts stabilized by heteroatoms / A. Cho, B. J. Park, J. W. Han // Front. Chem. - 2022. - V. 10. - P. 873609.

256. Zhang, D. Why do weak-binding M-N-C single-atom catalysts still possess anomalously high oxygen reduction activity in alkaline media? / D. Zhang, F. She, J. Chen, L. Wei, H. Li // ArXiv. - 2024.

257. Xie, Y. Copper-promoted nitrogen-doped carbon derived from zeolitic imidazole frameworks for oxygen reduction reaction / Y. Xie, C. Zhang, X. He, J.-W. Su, T. Parker, T. White, M. Griep, J. Lin / Appl. Surf. Sci. - 2019. - V. 464. - P. 344350.

258. Li, J. Cu-MOF-Derived Cu/Cu2O nanoparticles and CuNxCy species to boost oxygen reduction activity of Ketjenblack carbon in Al-air battery / J. Li, N. Zhou, J. Song, L. Fu, J. Yan, Y. Tang, H. Wang // ACS Sustainable Chem. Eng. - 2018. - V. 6, № 1. - P. 413-421.

259. Wen, X. Cu Nanoparticles embedded in N-doped carbon materials for oxygen reduction reaction / X. Wen, H. Qi, Y. Cheng, Q. Zhang, C. Hou, J. Guan // Chin. J. Chem. - 2020. - V. 38. - P. 941-946.

260. Wang, D. Coordination-engineered Cu-Nx single-site catalyst for enhancing oxygen reduction reaction / D. Wang, C. Ao, X. Liu, S. Fang, Y. Lin, W. Liu, W. Zhang, X. Zheng, L. Zhang, T. Yao // ACS Appl. Energy Mater. - 2019. - V. 2, № 9. -P. 6497-6504.

261. Li, F. Boosting oxygen reduction catalysis with abundant copper single atom active sites / F. Li, G.-F. Han, H.-J. Noh, S.-J. Kim, Y. Lu, H. Y. Jeong, Z. Fu, J.-B. Baek // Energy Environ. Sci. - 2018. - V. 11. - P. 2263-2269.

262. Xiao, Y. DFT analysis elementary reaction steps of catalytic activity for ORR on metal-, nitrogen- co-doped graphite embedded structure / Y. Xiao, W. Zhang // SN Appl. Sci. - 2020. - V. 2. - P. 194.

263. Kruusenberg, I. Clarification of active sites for oxygen reduction reaction on silver and nitrogen co-doped carbon materials / I. Kruusenberg, A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan, J. S. Hu, D. D. Macdonald // ECS Meeting Abstracts. - 2020. - V. MA2020-02. - P. 2399.

264. Zhou, R. Silver/nitrogen-doped graphene interaction and its effect on electrocatalytic oxygen reduction / R. Zhou, S. Z. Qiao // Chem. Mater. - 2014. - V. 26, № 20. - P. 5868-5873.

265. Yasmin, S. A noble silver nanoflower on nitrogen doped carbon nanotube for enhanced oxygen reduction reaction / S. Yasmin, M. S. Ahmed, S. Jeon // Int. J. Hydrog. En. - 2017. - V. 42, № 2. - P. 1075-1084.

266. Mi, J.-L. Effect of Zn on size control and oxygen reduction reaction activity of Co nanoparticles supported on N-doped carbon nanotubes / J.-L. Mi, J.-H. Liang, L.-P. Yang, B. Wu, L. Liu // Chem. Mater. - 2019. - V. 31, № 21. - P. 8864-8874.

267. Salem, I. A. Recent studies on the catalytic activity of titanium, zirconium and hafnium oxides (Review Article) / I. A. Salem // Catal. Rev. Sci. Eng. - 2003. - V. 45, № 2. - P. 205-296.

268. Astle, M. A. Synthesis of hydroxylated group IV metal oxides inside hollow graphitised carbon nanofibers: Nano-sponges and nanoreactors for enhanced decontamination of organophosphates / M. A. Astle, G. A. Rance, M. W. Fay, S. Notman, M. R. Sambrook, A. N. Khlobystov // J. Mater. Chem. A. - 2018. - V. 6. - P. 20444-20453.

269. Liu, M. Titanium nitride nanocrystals on nitrogen-doped graphene as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction / M. Liu, Y. Dong, Y. Wu, H. Feng, J. Li // Chem. Eur. J. - 2013. - V. 19, № 44. - P. 14781-14786.

270. Saida, T. Catalytic activity of titanium and ruthenium oxide nanosheets in the oxygen reduction reaction / T. Saida, M. Mashiyama, T. Maruyama // MRS Adv. -2019. - V. 4. - P. 1851-1860.

271. Shen, H. Direct four-electron reduction of O2 to H2O on TiO2 surfaces by pendant proton relay / H. Sheng, H. Ji, W. Ma, C. Chen, J. Zhao // Angew. Chem. Int.

Ed. - 2013. - V. 52, № 37. - P. 9686-9690.

272. Miao, F. TiO2 Electrocatalysis via three-electron oxygen reduction for highly efficient generation of hydroxyl radicals / F. Miao, M. Gao, X. Yu, P. Xiao, M. Wang, Y. Wang, S. Wang, X. Wang // Electrochem. Commun. - 2020. - V. 113. - P. 106687.

273. Luque-Centeno, J. M. Bifunctional N-doped graphene Ti and Co nanocomposites for the oxygen reduction and evolution reactions / J. M. Luque-Centeno, M. V. Martínez-Huerta, D. Sebastián, G. Lemes, E. Pastor, M. J. Lázaro // Renew. Energ. - 2018. - V. 125. - P. 182-192.

274. Qin, X. Novel hierarchically porous Ti-MOFs/nitrogen-doped graphene nanocomposite served as high efficient oxygen reduction reaction catalyst for fuel cells application / X. Qin, Y. Huang, K. Wang, T. Xu, Y. Wang, P. Liu, Y. Kang, Y. Zhang // Electrochim. Acta. - 2019. - V. 297. - P. 805-813.

275. Parse, H. B. Efficient oxygen electroreduction kinetics by titanium carbide@nitrogen doped carbon nanocomposite / H. B. Parse, I. Patil, S. Ingavale, C. Manohar, V. A. L. Roy, B. Kakade // Int. J. Hydrog. Energy. - 2019. - V. 44, № 42. -P. 23649-23657.

276. Yuan, Y. Zirconium nitride catalysts surpass platinum for oxygen reduction / Y. Yuan, J. Wang, S. Adimi, H. Shen, T. Thomas, R. Ma, J. P. Attfield, M. Yang / Nat. Mater. - 2020. - V. 19. - P. 282-286.

277. Wang, G. Density functional studies of zirconia with different crystal phases for oxygen reduction reaction / G. Wang, F. Huang, X. Chen, S. Wen, C. Gong, H. Liu, F. Cheng, X. Zheng, G. Zheng, M. Pan // RSC Adv. - 2015. - V. 5. - P. 85122-85127.

278. Wang, G. Origin of enhanced catalytic activity of oxygen reduction reaction on zirconium oxynitrides: A first-principle study / G. Wang, F. Huang, X. Chen, Y. Yu, C. Gong, H. Liu, S. Wen, G. Zheng, M. Pan // Solid State Ion. - 2018. - V. 317. - P. 15-20.

279. Ishihara, A. Emergence of oxygen reduction activity in zirconium oxide-based compounds in acidic media: Creation of active sites for the oxygen reduction reaction / A. Ishihara, T. Nagai, K. Ukita, M. Arao, M. Matsumoto, L. Yu, T.

Nakamura, O. Sekizawa, Y. Takagi, K. Matsuzawa, T. W. Napporn, S. Mitsushima, T. Uruga, T. Yokoyama, Y. Iwasawa, H. Imai, K.-i. Ota / J. Phys. Chem. C. - 2019. - V. 123, № 30. - P. 18150-18159.

280. Grewal, S. Critical impact of graphene functionalization for transition metal oxide/graphene hybrids on oxygen reduction reaction / S. Grewal, A. M. Andrade, A. J. Nelson, K. Thai, A. Karimaghaloo, E. Lee, M. H. Lee // J. Phys. Chem. C. - 2018. - V. 122, № 18. - P. 10017-10026.

281. Abdelkareem, M. A. Transition metal carbides and nitrides as oxygen reduction reaction catalyst or catalyst support in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) / M. A. Abdelkareem, T. Wilberforce, K. Elsaid, E. T. Sayed, E. A. M. Abdelghani, A. G. Olabi // Int. J. Hydrog. Energy. - 2021. - V. 46, № 45. - P. 2352923547.

282. Yu, J. Electrocatalytic performance of commercial vanadium carbide for oxygen reduction reaction / J. Yu, X. Gao, G. Chen, X. Yuan // Int. J. Hydrog. Energy. - 2016. - V. 41, № 7. - P. 4150-4158.

283. Luo, J. Limitations and improvement strategies for early-transition-metal nitrides as competitive catalysts toward the oxygen reduction reaction / J. Luo, X. Tian, J. Zeng, Y. Li, H. Song, S. Liao // ACS Catal. - 2016. - V. 6, № 9. - P. 6165-6174.

284. Matanovic, I. Assessing stability of transition metal nitrides in aqueous environments: The case of molybdenum, iron, vanadium and nickel nitride / I. Matanovic, F. H. Garzon // J. Electrochem. Soc. - 2020. - V. 167. - P. 046518.

285. Dewangan, K. Temperature-programmed nitridation of monodispersed VOx nanoparticles into nanocrystalline superconducting oxygen-doped vanadium nitride / New J. Chem. - 2021. - V. 45. - P. 6129-6135.

286. Matsumoto, M. Structural characterization of ORR active surface niobium oxides on partially oxidized Nb carbonitrides / M. Matsumoto, T. Miyazaki, S. Fujieda, Y. Ohgi, A. Ishihara, K.-i. Ota, H. Imai // ECS Trans. - 2011. - V. 35, № 32. - P. 77.

287. Huang, K. Novel VN/C nanocomposites as methanol-tolerant oxygen reduction electrocatalyst in alkaline electrolyte / K. Huang, K. Bi, C. Liang, S. Lin, R.

Zhang, W. J. Wang, H. L. Tang, M. Lei // Sci. Rep. - 2015. - V. 5. - P. 11351.

288. Huang, K. Porous VOxNy nanoribbons supported on CNTs as efficient and stable non-noble electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / K. Huang, K. Bi, Y. K. Lu, R. Zhang, J. Liu, W. J. Wang, H. L. Tang, Y. G. Wang, M. Lei // Sci. Rep. -2015. - V. 5. - P. 17385.

289. Li, W. Distorted niobium-self-doped graphene in-situ grown from 2D niobium carbide for catalyzing oxygen reduction / W. Li, I. S. Amiinu, B. Zhang, C. Zhang, Z. Zhang, J. Zhu, J. Liu, Z. Pu, Z. Kou, S. Mu // Carbon. - 2018. - V. 139. - P. 1144-1151.

290. Lin, S. A one-step way to novel carbon-niobium nitride nanoparticles for efficient oxygen reduction / S. Lin, K. Bi, X. Pan, Y. Hao, Y. Du, J. Liu, D. Fan, Y. Wang, M. Lei // J. Am. Ceram. Soc. - 2017. - V. 100. - P. 638.

291. Ratso, S. Enhanced oxygen reduction reaction activity of nitrogen-doped graphene/multi-walled carbon nanotube catalysts in alkaline media / S. Ratso, I. Kruusenberg, U. Joost, R. Saar, K. Tammeveski // Int. J. Hydrog. Energy. - 2016. - V. 41. - P. 22510-22519.

292. Villemson, K. M. Identification of active sites for oxygen reduction reaction on nitrogen- and sulfur-codoped carbon catalysts / K. M. Villemson, K. Kaare, R. Raudsepp, T. Kaambre, K. Smits, P. Wang, A. V. Kuzmin, A. Sutka, B. A. Shainyan, I. Kruusenberg // J. Phys. Chem. C. - 2019. - V. 123, № 26. - P. 16065-16074.

293. Marenich, A. V. Charge model 5: An extension of Hirshfeld population analysis for the accurate description of molecular interactions in gaseous and condensed phases / A. V. Marenich, S. V. Jerome, C. J. Cramer, D. G. Truhlar // J. Chem. Theory Comput. - 2012. - V. 8, № 2. - P. 527-541.

294. Huber, K. P., Herzberg, G. Constants of diatomic molecules [Text] / K. P. Huber, G. Herzberg // Molecular spectra and molecular structure - Boston : Springer, 1979. - P. 8-689.

295. Marenich, A. V. Universal solvation model based on solute electron density and on a continuum model of the solvent defined by the bulk dielectric constant and

atomic surface tensions / A. V. Marenich, C. J. Cramer, D. G. Truhlar // J. Phys. Chem. B. - 2009. - V. 113, № 18. - P. 6378-6396.

296. Rostami, Z. DFT results against experimental data for electronic properties of C60 and C70 fullerene derivatives / Z. Rostami, A. Hosseinian, A. Monfared // J. Mol. Graph. Model. - 2018. V. 81. - P. 60-67.

297. Chen, Y. Can Si-doped graphene activate or dissociate O2 molecule? / Y. Chen, X.-c. Yang, Y.-j. Liu, J.-x. Zhao, Q.-h. Cai, X.-z. Wang // J. Mol. Graph. Model.

- 2013. - V. 39. - P. 126-132.

298. Goerigk, L. A look at the density functional theory zoo with the advanced GMTKN55 database for general main group thermochemistry, kinetics and noncovalent interactions / L. Goerigk, A. Hansen, C. Bauer, S. Ehrlich, A. Najibi, S. Grimme // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2017. - V. 19. - P. 32184-32215.

299. Mardirossian, N. Thirty years of density functional theory in computational chemistry: an overview and extensive assessment of 200 density functionals / N. Mardirossian, M. Head-Gordon // Mol. Physics. - 2017. - V. 115, № 19. - P. 23152372.

300. Chen, Z. Spherical aromaticity: Recent work on fullerenes, polyhedral boranes, and related structures / Z. Chen, R. B. King // Chem. Rev. - 2005. - V. 105, № 10. - P. 3613-3642.

301. Marcos, P. A. Structural and thermal properties of silicon-doped fullerenes / P. A. Marcos, J. A. Alonso, L. M. Molina, A. Rubio, M. J. Lopez // J. Chem. Phys. -2003. - V. 119. - P. 1127-1135.

302. Kuzmin, A. V. Unavoidable silicon oxidation - the key to understanding the high catalytic activity of Si,N-doped carbon nanotubes in oxygen electroreduction reaction / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Russ. J. Gen. Chem. - 2024. - V. 94, № 11.

- P. 2927-2933.

303. Bridgeman, A. J. The Mayer bond order as a tool in inorganic chemistry / A. J. Bridgeman, G. Cavigliasso, L. R. Irelanda, J. Rothery // J. Chem. Soc., Dalton Trans.

- 2001. - P. 2095-2108.

304. Stevenson, J. Mayer bond order as a metric of complexation effectiveness in lead halide perovskite solutions / J. Stevenson, B. Sorenson, V. H. Subramaniam, J. Raiford, P. P. Khlyabich, Y.-L. Loo, P. Clancy // Chem. Mater. - 2017. - V. 29, № 6. -P. 2435-2444.

305. Wang, L. Boosting photocatalytic nitrogen reduction reaction by Jahn-Teller effect / L. Wang, B. Ma, Y. Teng, W. Ruan, G. Cheng, X. Zhang, Z. Li, Z. Li, C. Han, A. O. Ibhadon, F. Teng // J. Colloid Interface Sci. - 2023. - V. 650. - P. 426-436.

306. Spiegel, M. Current trends in computational quantum chemistry studies on antioxidant radical scavenging activity / M. Spiegel // J. Chem. Inf. Model. - 2022. - V. 62. - P. 2639-2658.

307. Janak, J. F. Proof that dE/dn^ = s in density-functional theory / J. F. Janak // Phys. Rev. B. - 1978. - V. 18. - P. 7165-7168.

308. Kuzmin, A. V. Carbon nanotube-based titanium- and zirconium-doped [M-N4] type ORR catalysts. First principle study / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Int. J. Quantum Chem. - 2021. - V. 121, № 24. - P. e26809.

309. Kuzmin, A. V. Exploring of catalytic oxygen reduction reaction activity of lattice carbons of vanadium and niobium doped nitrogen codoped carbon nanotubes by density functional theory / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Int. J. Quantum Chem. -2023. - V. 123, № 2. - P. e27017.

310. Maass, S. Carbon support oxidation in PEM fuel cell cathodes / S. Maass, F. Finsterwalder, G. Frank, R. Hartmann, C. Merten // J. Power Sources. - 2008. - V. 176, № 2. - P. 444-451.

311. Weller, M. Inorganic Chemistry [Text] / M. Weller, T. Overton, J. Rourke, F. Armstrong. - 7th ed. - New York : Oxford University Press, 2018. - P. 640.

312. Kuzmin, A. V. Theoretical density functional theory study of electrocatalytic activity of MN4-doped (M = Cu, Ag, and Zn) single-walled carbon nanotubes in oxygen reduction reactions / A. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // ACS Omega. - 2021. - V. 6, № 1. - P. 374-387.

313. Ganyecz, Á. Oxygen reduction reaction on TiO2 rutile (110) surface in the presence of bridging hydroxyl groups / Á. Ganyecz, P. D. Mezei, M. Kállay // Comput. Theor. Chem. -2019. - V. 1168. - P. 112607.

314. Manjunatha, R. A Review of composite/hybrid electrocatalysts and photocatalysts for nitrogen reduction reactions: Advanced materials, mechanisms, challenges and perspectives / R. Manjunatha, A. Karajic, M. Liu, Z. Zhai, L. Dong, W. Yan, D. P. Wilkinson. J. Zhang // Electrochem. Energy Rev. - 2020. - V. 3. - P. 506540.

315. Al-Dhaifallah, M. Co-Decorated reduced graphene/titanium nitride composite as an active oxygen reduction reaction catalyst with superior stability / M. Al-Dhaifallah, M. A. Abdelkareem, H. Rezk, H. Alhumade, A. M. Nassef, A. G. Olabi // Int. J. Energy Res. - 2020. - V. 45, № 18. - P. 1.

316. Jin, Y. In situ induced visible-light photoeletrocatalytic activity from molecular oxygen on carbon aerogel-supported TiO2 / Y. Jin, G. Zhao, M. Wu, Y. Lei, M. Li, X. Jin // J. Phys. Chem. C. - 2011. - V. 115, № 20. - P. 9917-9925.

317. Luque-Centeno, J. M. Bifunctional N-doped graphene Ti and Co nanocomposites for the oxygen reduction and evolution reactions / J. M. Luque-Centeno, M. V. Martínez-Huerta, D. Sebastián, G. Lemes, E. Pastor, M. J. Lázaro // Renew. Energy. - 2018. - V. 125, - P. 182-192.

318. Liu, G. Preparation, characterization of ZrOxNy/C and its application in PEMFC as an electrocatalyst for oxygen reduction / G. Liu, H. M. Zhang, M. R. Wang, H. X. Zhong, J. Chen // J. Power Sources. - 2007. - V. 172, № 2. - P. 503-510.

319. Selbin, J. Some recent developments in the chemistry of transition metal oxocations / J. Selbin // Angew. Chem. Int. Ed. - 1966. - V. 5, № 8. - P. 715-722.

320. Zhang, G.-X. Performance of various density-functional approximations for cohesive properties of 64 bulk solids / G.-X. Zhang, A. M. Reilly, A. Tkatchenko, M. Scheffler // New J. Phys. - 2018. - V. 20. - P. 063020.

321. Luetkens, M. L. Isolable paramagnetic hydride complexes of niobium(IV) and tantalum(IV) / M. L. Luetkens, W. L. Elcesser, J. C. Huffman, A. P. Sattelberger // J. Chem. Soc., Chem. Commun. - 1983. - P. 1072.

322. Barkov, F. Precipitation of hydrides in high purity niobium after different treatments / F. Barkov, A. Romanenko, Y. Trenikhina, A. Grassellino // Int. J. Appl. Phys. - 2013. - V. 114. - P. 164904.

323. Кузьмин, А. В. Механизмы реакций каталитического электрохимического восстановления кислорода (ORR) и углекислого газа (CO2RR) / А. В. Кузьмин, Б. А. Шаинян // Успехи химии. - 2023. - Т. 92, № 6. - С. RCR5085.

324. Zhang, Z. 3D Flower-like ZnFe-ZIF derived hierarchical Fe, N-codoped carbon architecture for enhanced oxygen reduction in both alkaline and acidic media, and zinc-air battery performance / Z. Zhang, H. Jin, J. Zhu, W. Li, C. Zhang, J. Zhao, F. Luo, Z. Sun, S. Mu // Carbon. - 2020. - V. 161. - P. 502-509.

325. Osmieri, L. Effects of using two transition metals in the synthesis of nonnoble electrocatalysts for oxygen reduction reaction in direct methanol fuel cell / L. Osmieri, R. Escudero-Cid, M. Armandi, P. Ocyn, A. H. A. Monteverde Videla, S. Specchia // Electrochim. Acta. - 2018. - V. 266. - P. 220-232.

326. Kruusenberg, I. Clarification of active sites for oxygen reduction reaction on silver and nitrogen co-doped carbon materials / I. Kruusenberg, A. Kuzmin, B. A. Shainyan, J.-S. Hu, D. D. Macdonald / ECS Meeting Abstracts. - 2020. - V. MA2020-02. - P. 2399.

327. Kuzmin, A. V. An in silico study of carbon active sites for ORR on the nitrogen and weak-binding transition metals (Cu, Zn) doped carbon nanotubes / А. V. Kuzmin, B. A. Shainyan // Russ. J. Gen. Chem. - 2024. - V. 94, № 12. - P. 3313-3323.

328. Siahrostami, S. Erratum: Enabling direct H2O2 production through rational electrocatalyst design / S. Siahrostami, A. Verdaguer-Casadevall, M. Karamad, D. Deiana, P. Malacrida, B. Wickman, M. Escudero-Escribano, E. A. Paoli, R. Frydendal,

T. W. Hansen, I. Chorkendorff, I. E. L. Stephens, J. Rossmeisl // Nat. Mater. - 2014. -V. 13. - P. 213.

329. Dudzinski, A. M. First step of the oxygen reduction reaction on Au(111): A computational study of O2 adsorption at the electrified metal/water interface / A. M. Dudzinski, E. Diesen, H. H. Heenen,V. J. Bukas, K. Reuter // ACS Catal. - 2023. - V. 13, № 18. - P. 12074-12081.

330. Soo, L. T. Synthesis of silver/nitrogen-doped reduced graphene oxide through a one-step thermal solid-state reaction for oxygen reduction in an alkaline medium / L. T. Soo, K. S. Loh, A. B. Mohamad, W. R. W. Daud, W. Y. Wong // J. Power Sources. - 2016. - V. 324. - P. 412-420.

331. Sun, P. Atomically dispersed Zn-pyrrolic-N4 cathode catalysts for hydrogen fuel cells / P. Sun, Z. Qiao, S. Wang, D. Li, X. Liu, Q. Zhang, L. Zheng, Z. Zhuang, D. Cao // Angew. Chem. Int. Ed. - 2023. - V. 62. - P. e202216041.

332. Zuluaga, S. Factors controlling the energetics of the oxygen reduction reaction on the Pd-Co electrocatalysts: insight from first principles / S. Zuluaga, S. Stolbov // J. Chem. Phys. - 2011. - V. 135, № 13. - P. 134702.

333. NIST Chemistry WebBook: NIST Standard Reference Data. [Электронный ресурс]. 2023. Дата обновления: 2023. URL: https://webbook.nist.gov/chemistry/ (дата обращения: 08.02.2024).

334. Almeida, M. O. Gas-phase errors affect DFT-based electrocatalysis models of oxygen reduction to hydrogen peroxide / M. O. Almeida, M. J. Kolb, M. R. V. Lanza, F. Illas, F. Calle-Vallejo // ChemElectroChem. - 2022. - V. 9. - P. e202200210.

335. Kirchhoff B. Assessment of the accuracy of density functionals for calculating oxygen reduction reaction on nitrogen-doped graphene / B. Kirchhoff, A. Ivanov, E. Skulason, T. Jacob, D. Fantauzzi, H. Jynsson // J. Chem. Theory Comput. -2021. - V. 17. 6405-6415.

336. Moltved, K. A. Performance of density functional theory for transition metal oxygen bonds / K. A. Moltved, K. P. Kepp // ChemPhysChem. - 2019. - V. 20, № 23. -P. 3210-3220.

337. Chan, B. Assessment of DFT methods for transition metals with the TMC151 compilation of data sets and comparison with accuracies for main-group chemistry / B. Chan, P. M. W. Gill, M. Kimura // J. Chem. Theory Comput. - 2019. -V. 15. - P. 3610-3622.

338. Iron, M. A. Evaluating transition metal barrier heights with the latest density functional theory exchange-correlation functionals: The MOBH35 benchmark database / M. A. Iron, T. Janes // J. Phys. Chem. A. - 2019. - V. 123. - P. 3761-3781.

339. Goerigk, L. A thorough benchmark of density functional methods for general main group thermochemistry, kinetics, and noncovalent interactions / L. Goerigk, S. Grimme // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2011. - V. 13. - P. 6670-6688.

340. Bursch, M. Best-practice DFT protocols for basic molecular computational chemistry / M. Bursch, J.-M. Mewes, A. Hansen, S. Grimme // Angew. Chem. Int. Ed. -2022. - V. 61. - P. e202205735.

341. Frisch, M. J. Gaussian 09, Revision C.01 / M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox. - Gaussian, Inc.: Wallingford CT, 2010.

342. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A. D. Becke // J. Chem. Phys. - 1993. - V. 98. - P. 5648-5652.

343. Chai, J.-D. Long-range corrected hybrid density functionals with damped atom-atom dispersion corrections / J.-D. Chai, M. Head-Gordon // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2008. - V. 10. - P. 6615-6620.

344. Neese, F. Software update: The ORCA program system - Version 5.0 / F. Neese // WIREs: Comput. Mol. Sci. - 2022. - V. 12, № 5. - P. e1606.

345. Perdew, J. P. Generalized gradient approximation made simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 77. - P. 3865-3868.

346. Hammer, B. Improved adsorption energetics within density functional theory using revised PBE functionals / B. Hammer, L. B. Hansen, J. K. N0rskov // Phys. Rev. B. - 1999. - V. 59. - P. 7413.

347. Henkelman, G. Improved tangent estimate in the nudged elastic band method for finding minimum energy paths and saddle points / G. Henkelman, H. Jonsson // J. Chem. Phys. - 2000. - V. 113, № 22. - P. 9978-9985.

348. Mayer, I. Overlap populations, bond orders and valences for 'fuzzy' atoms / I. Mayer, P. Salvador // Chem. Phys. Lett. - 2004. - V. 383. - P. 368-375.

349. Lu, T. Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer / T. Lu, F. Chen // J. Comput. Chem. - 2012. - V. 33. - P. 580-592.