金属-金属氧化物复合催化剂析氢/氢氧化活性的DFT计算
发布时间：2021-11-27 23:41
环境的日益恶化和化石能源的有限使用使得开发环保、清洁、可再生的储能设备和新型能源成为当前任务之急。氢能作为一种可贮存、无污染、可再生的优质新型能源,是化石能源的理想替代品,受到全球范围内的广泛关注和重视。电解水将电能转化为化学能,氢燃料电池则将化学能转化为电能,从而使氢能得以循环使用。目前,电解水制氢中存在析氢（HER）过电位过大引起的高能耗、高成本和易腐蚀等问题,限制了电解水技术的大规模发展。此外,碱性膜燃料电池阳极氢氧化（HOR）存在反应速率低、催化剂成本高且稳定性低等问题,制约了燃料电池的发展。基于上述原因,为获得高效、稳定、价廉的HER/HOR催化剂,本文采用密度泛函理论,以金属-金属氧化物复合催化剂为研究对象,计算其催化HER/HOR活性,及其活性提升的本质原因,为进一步开发设计高活性催化剂提供理论指导。本文主要包含以下两方面的研究工作:一是构建了5种过渡金属氧化物与金属Ni的复合催化剂MO/Ni（001）（M=Ti、Mn、Fe、Co、Zn）,探究金属氧化物与金属间相互作用,氧化物、及其过渡金属种类对MO/Ni（001）催化剂HER催化活性的影响机理。几何、电子结构表明:氧化...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-氢键的强度及析氢活性火山关系曲线
是根据电化学反应原理，将储存在 H2和 O2中的化学能直接、高效、零污染地转换为电能的化学能源装置（如图1.2 所示）。以 H2-O2燃料电池为例，阳极侧 H2发生氧化反应，2 个 H2分子在氧化过程(HOR)中释放出 4 个电子，由于电势差，这些电子经外电路进入阴极；在阴极
和电子结构的影响，分析五种金属氧化物与金属基底相互作用后电子结构的。并计算了不同复合催化剂的 H 吸附能（Eads）和吉布斯自由能（ΔGH*），且金属氧化物-金属相互作用与其 HER 催化活性间的构效关系，并筛选出活性最 MO/Ni(001)复合催化剂，为设计和研发高活性、高稳定性的 HER 催化剂提供指导。3.2 计算方法和模型本文全部计算工作在 VASP ( Vienna Ab-initio Simulation Package )软件包中[95]。采用投影缀加平面波赝势（PAW）描述离子实与价电子层的相互作用[96]及广义梯度近似 GGA-PBE 计算涉及电子间相互用作的交换相关能。截断能设00 eV，所有的模型采用 1×1×1 的 Monkhorst-Pack K 点结构优化，其中复合模固定底部一层，其它原子和吸附物种驰豫。采用 3×3×1 的 Monkhorst-Pack K算单点能及电子结构。考虑自旋，能量和原子上力的收敛精度分别为 10-4eV.05 eV/ 。
【参考文献】：
期刊论文
[1]适应新能源发展的电力规划方法研究[J]. 徐林,黄晓莉,杜忠明,张韬,李振杰,程临燕. 中国电力. 2017(09)
[2]碳载合金IrM（M=Fe,Ni,Co）纳米颗粒催化酸性与碱性介质中氢氧化反应（英文）[J]. 廖建华,丁炜,陶思成,聂瑶,李巍,吴光平,陈四国,李莉,魏子栋. 催化学报. 2016(07)
[3]Ni-Mo-Co合金电极制备工艺的研究[J]. 王国庆,尉海军,朱磊,简旭宇. 稀有金属与硬质合金. 2011(01)
[4]氢能利用与核能制氢研究开发综述[J]. 顾忠茂. 原子能科学技术. 2006(01)
[5]氢能及其近期应用前景[J]. 毛宗强. 科技导报. 2005(02)
[6]金属氧化物表面化学吸附和反应的量子化学簇模型方法研究(英文)[J]. 徐昕,吕鑫,王南钦,张乾二. 物理化学学报. 2004(S1)
[7]非晶态Ni-S合金在碱液中析氢反应（HER）机理的研究[J]. 杜敏,高荣杰. 青岛海洋大学学报(自然科学版). 2003(06)
[8]制氢技术现状及展望[J]. 刘少文,吴广义. 贵州化工. 2003(05)
[9]氢能——未来理想的新能源[J]. 关荐伊,王世震. 化学世界. 2001(08)
博士论文
[1]电沉积法制备镍基二氧化铈复合催化析氢电极的研究[D]. 郑振.哈尔滨工业大学 2013
[2]催化析氢活性阴极设计、制备与表征[D]. 张卫国.天津大学 2004
硕士论文
[1]铱基燃料电池氢氧化催化剂的研究[D]. 廖建华.重庆大学 2016
[2]镍基合金催化剂析氢活性的密度泛函计算研究[D]. 胡琳萍.重庆大学 2016
本文编号：3523265
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金属-氢键的强度及析氢活性火山关系曲线
是根据电化学反应原理，将储存在 H2和 O2中的化学能直接、高效、零污染地转换为电能的化学能源装置（如图1.2 所示）。以 H2-O2燃料电池为例，阳极侧 H2发生氧化反应，2 个 H2分子在氧化过程(HOR)中释放出 4 个电子，由于电势差，这些电子经外电路进入阴极；在阴极
和电子结构的影响，分析五种金属氧化物与金属基底相互作用后电子结构的。并计算了不同复合催化剂的 H 吸附能（Eads）和吉布斯自由能（ΔGH*），且金属氧化物-金属相互作用与其 HER 催化活性间的构效关系，并筛选出活性最 MO/Ni(001)复合催化剂，为设计和研发高活性、高稳定性的 HER 催化剂提供指导。3.2 计算方法和模型本文全部计算工作在 VASP ( Vienna Ab-initio Simulation Package )软件包中[95]。采用投影缀加平面波赝势（PAW）描述离子实与价电子层的相互作用[96]及广义梯度近似 GGA-PBE 计算涉及电子间相互用作的交换相关能。截断能设00 eV，所有的模型采用 1×1×1 的 Monkhorst-Pack K 点结构优化，其中复合模固定底部一层，其它原子和吸附物种驰豫。采用 3×3×1 的 Monkhorst-Pack K算单点能及电子结构。考虑自旋，能量和原子上力的收敛精度分别为 10-4eV.05 eV/ 。
【参考文献】：
期刊论文
[1]适应新能源发展的电力规划方法研究[J]. 徐林,黄晓莉,杜忠明,张韬,李振杰,程临燕. 中国电力. 2017(09)
[2]碳载合金IrM（M=Fe,Ni,Co）纳米颗粒催化酸性与碱性介质中氢氧化反应（英文）[J]. 廖建华,丁炜,陶思成,聂瑶,李巍,吴光平,陈四国,李莉,魏子栋. 催化学报. 2016(07)
[3]Ni-Mo-Co合金电极制备工艺的研究[J]. 王国庆,尉海军,朱磊,简旭宇. 稀有金属与硬质合金. 2011(01)
[4]氢能利用与核能制氢研究开发综述[J]. 顾忠茂. 原子能科学技术. 2006(01)
[5]氢能及其近期应用前景[J]. 毛宗强. 科技导报. 2005(02)
[6]金属氧化物表面化学吸附和反应的量子化学簇模型方法研究(英文)[J]. 徐昕,吕鑫,王南钦,张乾二. 物理化学学报. 2004(S1)
[7]非晶态Ni-S合金在碱液中析氢反应（HER）机理的研究[J]. 杜敏,高荣杰. 青岛海洋大学学报(自然科学版). 2003(06)
[8]制氢技术现状及展望[J]. 刘少文,吴广义. 贵州化工. 2003(05)
[9]氢能——未来理想的新能源[J]. 关荐伊,王世震. 化学世界. 2001(08)
博士论文
[1]电沉积法制备镍基二氧化铈复合催化析氢电极的研究[D]. 郑振.哈尔滨工业大学 2013
[2]催化析氢活性阴极设计、制备与表征[D]. 张卫国.天津大学 2004
硕士论文
[1]铱基燃料电池氢氧化催化剂的研究[D]. 廖建华.重庆大学 2016
[2]镍基合金催化剂析氢活性的密度泛函计算研究[D]. 胡琳萍.重庆大学 2016
本文编号：3523265
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