The oxygen reduction reaction (ORR) by the nitrogen-doped fullerene (C59N) catalyst demonstrates an excellent activity in hydrogen fuel cells. However, the intermediates and catalytic active sites in pathways have not been directly characterized, hindering the understanding of the enhanced activity mechanism for ORR on C59N. By taking the inhomogeneity of spatially confined plasmon into account, we theoretically propose that the high-resolution tip-enhanced Raman scattering (TERS) can effectively identify different intermediate configurations in ORR on C59N. With the modulation of the focused spatially confined plasmon center position, vibrational modes that are directly related to site-specific O2-C59N interactions in ORR can be lighted up and then selected out by TERS spectra. Furthermore, the vibration-resolved TERS images for the selected modes of different intermediate configurations give spatial hot spot around the adsorption site, providing the in-situ details of catalytic active sites in ORR on C59N. These findings serve as a good reference for future high-resolution TERS experiments on probing catalytic systems at the molecular scale.

[1]
A.
Kulkarni
,
S.
Siahrostami
,
A.
Patel
, and
J. K.
Nørskov
,
Chem. Rev.
118
,
2302
(
2018
).
[2]
N.
Bharadwaj
,
A.
Nair
, and
B.
Pathak
,
ACS Appl. Nano Mater.
4
,
9697
(
2021
).
[3]
P.
Sood
,
K. C.
Kim
, and
S. S.
Jang
,
J. Energy Chem.
27
,
528
(
2018
).
[4]
I. H.
Lin
,
Y. H.
Lu
, and
H. T.
Chen
,
J. Comput. Chem.
38
,
2041
(
2017
).
[5]
Y.
Wang
,
M.
Jiao
,
W.
Song
, and
Z.
Wu
,
Carbon
114
,
393
(
2017
).
[6]
F.
Gao
,
G. L.
Zhao
,
S.
Yang
, and
J. J.
Spivey
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
3315
(
2013
).
[7]
X.
Chen
,
J.
Chang
, and
Q.
Ke
,
Carbon
126
,
53
(
2018
).
[8]
J. Y.
Gu
,
Z. F.
Cai
,
D.
Wang
, and
L. J.
Wan
,
ACS Nano
10
,
8746
(
2016
).
[9]
[10]
F.
Sedona
,
M.
Di Marino
,
D.
Forrer
,
A.
Vittadini
,
M.
Casarin
,
A.
Cossaro
,
L.
Floreano
,
A.
Verdini
, and
M.
Sambi
,
Nat. Mater.
11
,
970
(
2012
).
[11]
D.
Nguyen
,
G.
Kang
,
N.
Chiang
,
X.
Chen
,
T.
Seideman
,
M. C.
Hersam
,
G. C.
Schatz
, and
R. P.
Van Duyne
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
5948
(
2018
).
[12]
Y. S.
Huh
,
A. J.
Chung
, and
D.
Erickson
,
Microfluid. Nanofluidics
6
,
285
(
2009
).
[13]
E. J.
Blackie
,
E. C.
Le Ru
, and
P. G.
Etchegoin
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
14466
(
2009
).
[14]
E. A.
Pozzi
,
M. D.
Sonntag
,
N.
Jiang
,
N.
Chiang
,
T.
Seideman
,
M. C.
Hersam
, and
R. P.
Van Duyne
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2657
(
2014
).
[15]
N.
Jiang
,
E. T.
Foley
,
J. M.
Klingsporn
,
M. D.
Sonntag
,
N. A.
Valley
,
J. A.
Dieringer
,
T.
Seideman
,
G. C.
Schatz
,
M. C.
Hersam
, and
R. P.
Van Duyne
,
Nano Lett.
12
,
5061
(
2012
).
[16]
R.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
Z.
Dong
,
S.
Jiang
,
C.
Zhang
,
L.
Chen
,
L.
Zhang
,
Y.
Liao
,
J.
Aizpurua
,
Y.
Luo
,
J.
Yang
, and
J.
Hou
,
Nature
498
,
82
(
2013
).
[17]
J.
Steidtner
and
B.
Pettinger
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
236101
(
2008
).
[18]
J. M.
Klingsporn
,
N.
Jiang
,
E. A.
Pozzi
,
M. D.
Sonntag
,
D.
Chulhai
,
T.
Seideman
,
L.
Jensen
,
M. C.
Hersam
, and
R. P. V.
Duyne
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
3881
(
2014
).
[19]
Y.
Zhang
,
Y.
Zhang
, and
Z.
Dong
,
Chin. J. Chem. Phys.
34
,
1
(
2021
).
[20]
Z.
Xie
,
S.
Duan
,
C. K.
Wang
, and
Y.
Luo
,
Nanoscale
9
,
18189
(
2017
).
[21]
A.
Ghafoor
,
B.
Yang
,
Y. J.
Yu
,
Y. F.
Zhang
,
X. B.
Zhang
,
G.
Chen
,
Y.
Zhang
,
Y.
Zhang
, and
Z. C.
Dong
,
Chin. J. Chem. Phys.
32
,
287
(
2019
).
[22]
L.
Meng
,
Z.
Yang
,
J.
Chen
, and
M.
Sun
,
Sci. Rep.
5
,
1
(
2015
).
[23]
S.
Duan
,
G.
Tian
,
Y.
Ji
,
J.
Shao
,
Z. C.
Dong
, and
Y.
Luo
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
9515
(
2015
).
[24]
Y.
Zhang
,
B.
Yang
,
A.
Ghafoor
,
Y.
Zhang
,
Y. F.
Zhang
,
R. P.
Wang
,
J. L.
Yang
,
Y.
Luo
,
Z. C.
Dong
, and
J. G.
Hou
,
Natl. Sci. Rev.
6
,
1169
(
2019
).
[25]
Z.
Xie
,
S.
Duan
,
G.
Tian
,
C. K.
Wang
, and
Y.
Luo
,
Nanoscale
10
,
11850
(
2018
).
[26]
Z.
Xie
,
S.
Duan
,
C. K.
Wang
, and
Y.
Luo
,
Nanoscale
12
,
10474
(
2020
).
[27]
J.
Xu
,
X.
Zhu
,
S.
Tan
,
Y.
Zhang
,
B.
Li
,
Y.
Tian
,
H.
Shan
,
X.
Cui
,
A.
Zhao
,
Z.
Dong
,
J.
Yang
,
Y.
Luo
,
B.
Wang
, and
J.
Hou
,
Science
371
,
818
(
2021
).
[28]
J.
Lee
,
K. T.
Crampton
,
N.
Tallarida
, and
V. A.
Apkarian
,
Nature
568
,
78
(
2019
).
[29]
S.
Duan
,
G.
Tian
, and
Y.
Luo
,
Angew. Chem. Int. Ed.
55
,
1041
(
2016
).
[30]
P.
Liu
,
X.
Chen
,
H.
Ye
, and
L.
Jensen
,
ACS Nano
13
,
9342
(
2019
).
[31]
Z.
Xie
,
S.
Duan
,
C. K.
Wang
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. C
123
,
11081
(
2019
).
[32]
S.
Duan
,
G.
Tian
,
Z.
Xie
, and
Y.
Luo
,
J. Chem. Phys.
146
,
194106
(
2017
).
[33]
S.
Duan
,
G.
Tian
, and
Y.
Luo
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
4986
(
2016
).
[34]
S.
Duan
,
Z.
Xie
,
G.
Tian
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
407
(
2020
).
[35]
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
1372
(
1993
).
[36]
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
[37]
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
,
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
,
Gaussian 16, Revision A.01
,
Wallingford, CT
:
Gaussian Inc
., (
2016
).
[38]
S.
Duan
,
Z.
Rinkevicius
,
G.
Tian
, and
Y.
Luo
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
13795
(
2019
).
[39]
X.
Chen
and
L.
Jensen
,
Nanoscale
10
,
11410
(
2018
).
[40]
S.
Duan
,
G.
Tian
, and
Y.
Luo
,
First-Principles Approaches for Surface and Tip Enhanced Raman Scattering, Version 1.0
,
Stockholm, Sweden
:
Royal Institute of Technology
, (
2016
).
[41]
F.
Fülöp
,
A.
Rockenbauer
,
F.
Simon
,
S.
Pekker
,
L.
Korecz
,
S.
Garaj
, and
A.
Jnossy
,
Chem. Phys. Lett.
334
,
233
(
2001
).
[42]
J. M.
Atkin
and
M. B.
Raschke
,
Nature
498
,
44
(
2013
).
[43]
C.
Chen
,
N.
Hayazawa
, and
S.
Kawata
,
Nat. Commun.
5
,
1
(
2014
).
[44]
K.
Morgan
,
B.
Inceesungvorn
,
A.
Goguet
,
C.
Hardacre
,
F. C.
Meunier
, and
S. O.
Shekhtman
,
Catal. Sci. Technol.
2
,
2128
(
2012
).
[45]
H. K.
Wickramasinghe
,
M.
Chaigneau
,
R.
Yasukuni
,
G.
Picardi
, and
R.
Ossikovski
,
ACS Nano
8
,
3421
(
2014
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.