燃料电池催化剂——结构设计与作用机制

陈鑫赖南君

扉页
绪论/001
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1.1当前国内外能源状况001
1.2燃料电池的分类及特点002
1.3燃料电池的发展壁垒003
参考文献004
氧还原电催化剂的结构与催化机制/005
2.1概述005
2.2催化机制的理论研究方法006
2.2.1密度泛函理论006
2.2.2第一性原理分子动力学方法010
2.3氧还原催化机理012
2.4金属催化剂催化的氧还原机理016
2.4.1纯铂016
2.4.2铂基合金020
2.4.3非铂基金属022
2.5非贵金属催化剂催化的氧还原机理024
2.5.1过渡金属大环类化合物025
2.5.2金属氧化物、氮化物、硫化物027
2.5.3导电聚合物复合催化剂029
2.5.4碳基材料030
2.6小结032
参考文献033
3.1概述048
3.2评估氧还原催化活性的方法049
3.2.1中间体的吸附能049
3.2.2反应势能曲线050
3.2.3由线性吉布斯能量关系计算可逆电势052
3.2.4反应能垒053
3.2.5催化剂电子结构054
3.3评估氧还原稳定性的方法056
3.3.1金属溶解电势056
3.3.2金属共聚能058
3.3.3活性中心的金属结合能058
3.4GGA不同泛函的计算精确度058
3.4.1孤立的氧还原物种的键长059
3.4.2孤立的氧还原物种的键解离能060
3.4.3氧还原物种在催化剂表面的吸附能061
3.4.4反应过程分析064
3.5小结065
参考文献065
4.1概述072
4.2单核钴（铁）酞菁与双核钴（铁）酞菁073
4.2.1在酸溶液中的稳定性073
4.2.2吸附与催化机制074
4.2.3电子结构分析075
4.3钴—聚吡咯催化剂076
4.3.1钴—聚吡咯的结构稳定性077
4.3.2钴—聚吡咯的催化过程分析077
4.3.3钴—聚吡咯的尺寸效应080
4.3.4协同效应081
4.4Fe(Co)Nx（x=1～4）内嵌石墨烯催化剂084
4.4.1结构与稳定性评估084
4.4.2氧分子的吸附085
4.4.3反应过程分析087
4.5FeN4内嵌碳纳米管催化剂的尺寸效应091
4.5.1结构与稳定性评估092
4.5.2氧还原物种的吸附094
4.5.3基元反应的相对能量096
4.5.4电子结构效应097
4.6类FeNx的催化位点：FeSx结构098
4.6.1结构筛选098
4.6.2氧气分子的吸附行为分析099
4.6.3氧还原反应路径分析100
4.6.4抗中毒能力分析102
4.7金属效应与配体效应103
4.7.1金属中心及配体结构103
4.7.2吸附情况分析104
4.7.3HOMO-LUMO能隙分析105
4.8小结106
参考文献106
二维碳材料的结构与作用机制/113
5.1概述113
5.2金属直接掺杂石墨烯的催化机制113
5.2.1结构与稳定性评估114
5.2.2吸附关系分析116
5.2.3反应过程及限速步骤分析118
5.3氮-氧共掺杂石墨烯的催化机制119
5.3.1掺杂位置与形成能120
5.3.2氧还原物种吸附情况比较120
5.3.3催化反应能量与能垒122
5.3.4氧还原活性起源124
5.4硼、氮掺杂的α-和γ-石墨炔的催化机制125
5.4.1硼掺杂的α-石墨炔126
5.4.2氮掺杂的α-石墨炔127
5.4.3硼、氮共掺杂的α-石墨炔127
5.4.4硼、氮分别掺杂的γ-石墨炔128
5.5小结129
参考文献129
6.1概述133
6.2氮掺杂富勒烯的催化机制134
6.2.1稳定性与电荷分布134
6.2.2氧还原中间体的线性吸附关系136
6.2.3相对能量图138
6.3内嵌金属富勒烯的催化机制140
6.3.1Fen@C60（n=1～7）的结构和电子性质140
6.3.2通过吸附性能预测活性142
6.3.3抗中毒能力145
6.4富勒烯表面掺杂金属的催化机制146
6.4.1结构与稳定性147
6.4.2吸附强度比较147
6.4.3吉布斯自由能148
6.4.4线性关系与过电势152
6.5硼氮纳米笼与硅碳纳米笼152
6.5.1硼氮纳米笼的催化机制153
6.5.2硅碳纳米笼的催化机制157
6.6小结161
参考文献161
7.1概述168
7.2.1Ni3(HITP)2片层材料的结构与性质169
7.2.2含氧物种在Ni3(HITP)2的吸附171
7.2.3ORR机理及活性位点分析172
7.3X3(HITP)2的结构与催化机制174
7.3.1催化活性位点的选择及含氧物种的吸附174
7.3.2氧还原路径177
7.3.4相对稳定性与抗中毒能力181
7.4不同配体对MOF材料氧还原催化性能的影响183
7.4.1材料模型构建与性质184
7.4.2配体效应185
7.4.3不同活性位点的相对能量变化188
7.5小结190
参考文献191
氮化碳的结构与作用机制/197
8.1概述197
8.2非金属原子掺杂g-C3N4的ORR活性197
8.2.1催化活性位点的选择及氧气的吸附198
8.2.2能带结构和偏态密度分析200
8.3过渡金属原子掺杂g-C3N4的催化机制203
8.3.1结构与稳定性203
8.3.2氧还原中间产物的吸附203
8.3.3氧还原路径及相对能量变化205
8.4小结208
参考文献208
载体增强作用/213
9.1概述213
9.2.1Aun团簇在N掺杂的石墨烯上的吸附性质214
9.2.3Aun团簇结构稳定性的改变219
9.3.2氧气在Pt13-缺陷石墨烯上的吸附作用222
9.4载体225
9.5小结228
参考文献228
结论与展望/235