Fe-N-C氧还原催化剂的第一性原理研究
发布时间：2020-12-15 02:37
化石燃料的巨大消耗导致了一系列环境污染和气候变化等问题,因而可持续清洁能源的合理利用就变得尤为重要。质子交换膜燃料电池具有运行安静、启动快速,能量转换效率高和无污染物排放等优点,它被认为是一种极具潜力的固定、便携式和车载应用的清洁电源。然而,由于其阴极催化剂存在成本高昂和催化活性不足等问题,使得燃料电池的商业化进程受到了阻碍。因此,开发出催化活性高以及成本低廉的新型催化剂变得尤为重要。Fe-N-C氧还原催化剂因其来源丰富、成本低廉以及较高的活性而被普遍认为是铂基贵金属最有潜力的替代品之一。本文通过密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了有少量Fe3C/Fe修饰的Fe N4以及两种Fe-N-C/MXene催化剂的氧还原电催化活性。本论文的主要内容和结果可分为如下几个部分:第一部分是以Fe N4和有少量Fe3C/Fe修饰的Fe N4为模型研究了它们的氧还原反应催化机理。利用第一性原理计算得到了其氧还原反应中氧气的吸附特性,并通过Bader电荷分析了原子的得失电子情况,发现有Fe3C/Fe团簇修饰的Fe N4催化剂,其吸附的氧原子周围会积累更多的额外电荷,从而产生相对较大的吸附能并促进氧还原...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEM燃料电池示意图[11]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-7-晶电极，发现Pt3Ni(111)表面氧还原反应的活性比相应的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化剂活性的90倍[24,25]，如图1-2所示。在此基础上，VojislavR.Stamenkovic课题组与PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架结构的纳米颗粒，发现Pt3Ni纳米框架催化剂相比于现有技术的Pt/C催化剂，其氧还原反应的质量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。图1-2催化剂活性与d带中心和表面形态的关系[24,25]Pt3Ni的成功制备开启了铂合金用来催化ORR的热潮。虽然双金属Pt-Ni纳米结构代表了一类燃料电池氧还原电催化剂，但其应用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了过渡金属掺杂的Pt3Ni八面体，称为M-Pt3Ni/C（M是钒、铬、锰、铁、钴、钼或钨），其中Mo-Pt3Ni/C的氧还原性能最好，其比活性和质量活性与商用Pt/C催化剂相比，分别提高了81倍和73倍。除了铂镍合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八个铂-镧系和铂-碱土电极Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧还原反应，其氧还原反应电催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比纯Pt的活性增强3到6倍，不仅如此，他们还通过调控Pt的晶格应力，压缩Pt的晶面间距，发现了Pt5M结构的氧还原反应活性与其晶格参数呈现火山型曲线。为了高效的利用Pt，并减少其使用量，人们研究了其单晶、纳米颗粒和框架结
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-7-晶电极，发现Pt3Ni(111)表面氧还原反应的活性比相应的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化剂活性的90倍[24,25]，如图1-2所示。在此基础上，VojislavR.Stamenkovic课题组与PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架结构的纳米颗粒，发现Pt3Ni纳米框架催化剂相比于现有技术的Pt/C催化剂，其氧还原反应的质量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。图1-2催化剂活性与d带中心和表面形态的关系[24,25]Pt3Ni的成功制备开启了铂合金用来催化ORR的热潮。虽然双金属Pt-Ni纳米结构代表了一类燃料电池氧还原电催化剂，但其应用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了过渡金属掺杂的Pt3Ni八面体，称为M-Pt3Ni/C（M是钒、铬、锰、铁、钴、钼或钨），其中Mo-Pt3Ni/C的氧还原性能最好，其比活性和质量活性与商用Pt/C催化剂相比，分别提高了81倍和73倍。除了铂镍合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八个铂-镧系和铂-碱土电极Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧还原反应，其氧还原反应电催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比纯Pt的活性增强3到6倍，不仅如此，他们还通过调控Pt的晶格应力，压缩Pt的晶面间距，发现了Pt5M结构的氧还原反应活性与其晶格参数呈现火山型曲线。为了高效的利用Pt，并减少其使用量，人们研究了其单晶、纳米颗粒和框架结
本文编号：2917490
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEM燃料电池示意图[11]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-7-晶电极，发现Pt3Ni(111)表面氧还原反应的活性比相应的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化剂活性的90倍[24,25]，如图1-2所示。在此基础上，VojislavR.Stamenkovic课题组与PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架结构的纳米颗粒，发现Pt3Ni纳米框架催化剂相比于现有技术的Pt/C催化剂，其氧还原反应的质量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。图1-2催化剂活性与d带中心和表面形态的关系[24,25]Pt3Ni的成功制备开启了铂合金用来催化ORR的热潮。虽然双金属Pt-Ni纳米结构代表了一类燃料电池氧还原电催化剂，但其应用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了过渡金属掺杂的Pt3Ni八面体，称为M-Pt3Ni/C（M是钒、铬、锰、铁、钴、钼或钨），其中Mo-Pt3Ni/C的氧还原性能最好，其比活性和质量活性与商用Pt/C催化剂相比，分别提高了81倍和73倍。除了铂镍合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八个铂-镧系和铂-碱土电极Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧还原反应，其氧还原反应电催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比纯Pt的活性增强3到6倍，不仅如此，他们还通过调控Pt的晶格应力，压缩Pt的晶面间距，发现了Pt5M结构的氧还原反应活性与其晶格参数呈现火山型曲线。为了高效的利用Pt，并减少其使用量，人们研究了其单晶、纳米颗粒和框架结
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-7-晶电极，发现Pt3Ni(111)表面氧还原反应的活性比相应的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化剂活性的90倍[24,25]，如图1-2所示。在此基础上，VojislavR.Stamenkovic课题组与PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架结构的纳米颗粒，发现Pt3Ni纳米框架催化剂相比于现有技术的Pt/C催化剂，其氧还原反应的质量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。图1-2催化剂活性与d带中心和表面形态的关系[24,25]Pt3Ni的成功制备开启了铂合金用来催化ORR的热潮。虽然双金属Pt-Ni纳米结构代表了一类燃料电池氧还原电催化剂，但其应用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了过渡金属掺杂的Pt3Ni八面体，称为M-Pt3Ni/C（M是钒、铬、锰、铁、钴、钼或钨），其中Mo-Pt3Ni/C的氧还原性能最好，其比活性和质量活性与商用Pt/C催化剂相比，分别提高了81倍和73倍。除了铂镍合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八个铂-镧系和铂-碱土电极Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧还原反应，其氧还原反应电催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比纯Pt的活性增强3到6倍，不仅如此，他们还通过调控Pt的晶格应力，压缩Pt的晶面间距，发现了Pt5M结构的氧还原反应活性与其晶格参数呈现火山型曲线。为了高效的利用Pt，并减少其使用量，人们研究了其单晶、纳米颗粒和框架结
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