单分散Fe-N-C催化剂活性位点的密度对氧还原反应的影响
发布时间：2024-02-04 05:27
单原子催化剂(single-atom catalysts,SACs)因其“以一当十”的极高催化效率以及最大化的原子利用率,引发了催化界的广泛关注。但是当粒子尺寸缩小到原子层面时,极高的比表面积会促使表面自由能的急剧升高,因而单原子很容易团聚耦合形成团簇而失活,所以实验上金属原子的负载量很低,相邻位点间距离较远(>>1nm)。理论研究通常将活性位点视为孤立中心,近似认为位点间独立催化,互不干扰。但是低密度的单原子催化剂终究难以满足实际生产的需要,因此越来越多的研究者致力于发展高密度单原子催化剂。随着先进的制备和表征技术的发展,金属的负载量也逐渐增大,位点间的距离越来越近,所以活性位点之间的相互作用就不可忽略,最近的一些工作也都验证了这一点。因此研究邻近位点之间的相互作用及其对催化反应的影响,对调控单原子催化剂的活性以及对增强非均相催化剂机理的认识都具有非常重要的意义。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种通过氢气和氧气反应产生水进而将化学能转化为电能的装备,然而阴极缓慢的氧化原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)严重阻碍了 PEMFCs的发展。...
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 氧还原反应(ORR)简介
1.2.1 ORR反应动力学和反应机理
1.2.2 ORR催化剂进展
1.2.2.1 铂族金属电催化剂
1.2.2.2 非铂族金属电催化剂
1.2.2.3 碳基电催化剂
1.2.2.4 单原子电催化剂
1.3 单原子催化简介
1.3.1 高金属负载量单原子催化剂的常见制备方法
1.3.1.1 热解法
1.3.1.2 湿化学法
1.3.2 高金属负载量单原子催化剂的合适的衬底
1.3.3 SACs的表征技术
1.3.3.1 电子显微术
1.3.3.2 X射线吸收精细结构(XAFS)
1.3.3.3 红外光谱(IR)
1.3.3.4 其它方法
1.3.4 高金属负载量单原子催化剂在催化应用方面的最新进展
1.3.4.1 氧还原反应(ORR)
1.3.4.2 水分解反应(OER和HER)
1.3.4.3 二氧化碳还原反应(CO2RR)
1.3.4.4 其它催化反应
参考文献
第2章 理论方法简介
2.1 密度泛函理论
2.1.1 密度泛函理论基础
2.1.1.1 Tomas-Fermi-Dirac理论
2.1.1.2 Hohenberg-Kohn定理
2.1.1.3 Kohn-Sham定理
2.1.2 交换相关泛函
2.1.2.1 局域密度近似(LDA)
2.1.2.2 广义梯度近似(GGA)
2.1.2.3 杂化泛函
2.2 量化计算软件包
参考文献
第3章 单分散Fe-N-C催化剂位点的密度对氧还原反应的影响
3.1 TM-N-C单原子催化剂
3.2 计算细节
3.2.1 计算方法
3.2.2 反应机理
3.2.3 反应吉布斯自由能的计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 高密度FeN3的邻位效应对于ORR反应的影响
3.3.1.1 FeN3模型的结构和电子性质
3.3.1.2 FeN3模型上ORR的反应机理
3.3.1.3 FeN3的邻位效应对于ORR 4e-反应路径的影响
3.3.1.4 FeN3的邻位效应对于ORR 2e-反应路径的影响
3.3.2 高密度FeN4的邻位效应对于ORR反应的影响
3.3.2.1 FeN4模型的结构和电子性质
3.3.2.2 FeN4模型上ORR的反应路径
3.3.2.3 FeN4的邻位效应对于ORR 4e-反应路径的影响
3.3.2.4 FeN4的邻位效应对于ORR 2e-反应路径的影响
3.3.2.5 FeN4氧化还原诱导的Fe-N键的转换
3.3.3 极高密度的FeNx(x=3,4)ORR反应的研究
3.3.3.1 极高密度FeN3和FeN4单原子催化剂结构和电子性质
3.3.3.2 极高密度FeN3和FeN4单原子催化剂的ORR反应机理
3.4 工作总结
参考文献
第4章 总结与展望
4.1 结论与总结
4.2 展望
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文与取得的研究成果
本文编号：3895287
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 氧还原反应(ORR)简介
1.2.1 ORR反应动力学和反应机理
1.2.2 ORR催化剂进展
1.2.2.1 铂族金属电催化剂
1.2.2.2 非铂族金属电催化剂
1.2.2.3 碳基电催化剂
1.2.2.4 单原子电催化剂
1.3 单原子催化简介
1.3.1 高金属负载量单原子催化剂的常见制备方法
1.3.1.1 热解法
1.3.1.2 湿化学法
1.3.2 高金属负载量单原子催化剂的合适的衬底
1.3.3 SACs的表征技术
1.3.3.1 电子显微术
1.3.3.2 X射线吸收精细结构(XAFS)
1.3.3.3 红外光谱(IR)
1.3.3.4 其它方法
1.3.4 高金属负载量单原子催化剂在催化应用方面的最新进展
1.3.4.1 氧还原反应(ORR)
1.3.4.2 水分解反应(OER和HER)
1.3.4.3 二氧化碳还原反应(CO2RR)
1.3.4.4 其它催化反应
参考文献
第2章 理论方法简介
2.1 密度泛函理论
2.1.1 密度泛函理论基础
2.1.1.1 Tomas-Fermi-Dirac理论
2.1.1.2 Hohenberg-Kohn定理
2.1.1.3 Kohn-Sham定理
2.1.2 交换相关泛函
2.1.2.1 局域密度近似(LDA)
2.1.2.2 广义梯度近似(GGA)
2.1.2.3 杂化泛函
2.2 量化计算软件包
参考文献
第3章 单分散Fe-N-C催化剂位点的密度对氧还原反应的影响
3.1 TM-N-C单原子催化剂
3.2 计算细节
3.2.1 计算方法
3.2.2 反应机理
3.2.3 反应吉布斯自由能的计算
3.3 结果与讨论
3.3.1 高密度FeN3的邻位效应对于ORR反应的影响
3.3.1.1 FeN3模型的结构和电子性质
3.3.1.2 FeN3模型上ORR的反应机理
3.3.1.3 FeN3的邻位效应对于ORR 4e-反应路径的影响
3.3.1.4 FeN3的邻位效应对于ORR 2e-反应路径的影响
3.3.2 高密度FeN4的邻位效应对于ORR反应的影响
3.3.2.1 FeN4模型的结构和电子性质
3.3.2.2 FeN4模型上ORR的反应路径
3.3.2.3 FeN4的邻位效应对于ORR 4e-反应路径的影响
3.3.2.4 FeN4的邻位效应对于ORR 2e-反应路径的影响
3.3.2.5 FeN4氧化还原诱导的Fe-N键的转换
3.3.3 极高密度的FeNx(x=3,4)ORR反应的研究
3.3.3.1 极高密度FeN3和FeN4单原子催化剂结构和电子性质
3.3.3.2 极高密度FeN3和FeN4单原子催化剂的ORR反应机理
3.4 工作总结
参考文献
第4章 总结与展望
4.1 结论与总结
4.2 展望
致谢
攻读硕士期间发表的学术论文与取得的研究成果
本文编号：3895287
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