二维金属碳氮化物表面终端催化性质的第一性原理研究

发布时间：2021-10-20 06:29

　　宇航动力技术的提升离不开先进的燃料电池技术支撑。化学能源,包括氢气、氧气、碳氢化合物等是航天器电源系统重要组成部分之一。化学能源目前研究重点之一是开发高效制备这些气体及化合物的催化剂。二维过渡金属碳氮化物（MXenes）具有高稳定性、大比表面积、高导电性等优异性质在能源转换领域具有潜在的应用前景。本文以设计高效电催化剂（析氢、析氧、氮/氧/二氧化碳还原）为目标,以二维MXenes功能化表面终端为研究对象,采用第一性原理计算系统研究了MXenes功能化表面终端作为电催化剂的催化性质,为实验合成高效催化剂提供了理论依据。实验合成MXenes是其得以应用的前提。在实验中可通过刻蚀和剥离陶瓷相MAX获得二维MXenes结构。本文首先系统预测了超过50种MAX相刻蚀剥离成MXenes的性质。研究结果表明对于所研究的MAX,大部分MAX相的元素A与多层MX结构结合能越大,MAX剥离为MXenes的剥离能越大。MAX相剥离能小于0.253 eV/?2易合成MXenes;高于0.253 eV/?2不易合成MXenes。通过HF刻蚀Cr2Al C相,研究发现无论最先产物是Cr₂CF... 

【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】：174 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

NASA研制的新型PEMFC系统[2]

TG-1电解制氧试验装置[2]

第1章绪论-5-图1-3理论指导实验合成催化剂并用于催化氢气，NH3，碳氢化合物产生[14]Fig.1-3Thetheorticalguidestheexperimentalsynthesisofcatalystsforcatalytictheproducingofhydrogen,NH3andhydrocarbons[14].1.2过渡金属碳氮化物(MXenes)研究现状和分析1.2.1过渡金属碳氮化物(MXenes)简介过渡金属碳氮化物（MXenes）是一种大类的层状材料，其化学公式为Mn+1XnTx，其中n=1-3；M是早期的过渡金属，如Ti、V、Cr和Mo等；X是C或者N；Tx是表面功能化终端[15-18]，自从2011年[19-21]被发现以来，MXenes已经被证实具有优异的机械和电学性能。强酸溶液（如HF）的合成环境使得MXenes结构极其稳定[22]，同时裸露的金属表面易形成功能化官能团(如*O，F*，*OH)，并能够创造更多活性位点、增加其表面与氢原子的接触，这使得MXenes具有优异的氢析出反应（HER）活性。另外，表面功能化终端（*O）易于与外来带电离子结合，使其表面可以容易改性、实现优异的氧析出以及还原等活性。现从以下几个方面对其表面结构以及催化性质的研究现状展开分析。二维MXenes可以由陶瓷MAX相在强酸溶液中刻蚀得到。MAX相，多层Mn+1XnMXenes，单层Mn+1Xn以及含终端的Mn+1XnTx晶体结构如图1-4所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]航天动力系统未来需求方向及发展建议的思考[J]. 陈士强,黄辉,邵业涛,黄兵.  宇航总体技术. 2019(01)
[2]应用于空间燃料电池的氢技术研究进展[J]. 唐林江,张宝林,陈滔,张彬彬,万成安.  空间电子技术. 2018(03)
[3]月面探测器燃料电池应用的初步研究[J]. 任德鹏,李青,彭松.  深空探测学报. 2017(06)
[4]可再生燃料电池系统在空间电源中的应用研究[J]. 陈宋,孙凤焕,张明,戴孟瑜,崔波.  航天器工程. 2014(06)
[5]燃料电池的发展趋势[J]. 侯侠,任立鹏.  云南化工. 2011(02)
[6]质子交换膜水电解器技术进展[J]. 张军,任丽彬,李勇辉,徐志彬,易炜.  电源技术. 2008(04)

博士论文
[1]MnxCe1-xO2催化剂第一性原理研究[D]. 岑望来.浙江大学 2012

硕士论文
[1]Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池界面电学性质和钝化机理的第一性原理研究[D]. 程育汶.兰州理工大学 2017
[2]一体式可再生燃料电池膜电极研究和初步系统设计[D]. 李斯琳.上海交通大学 2011



本文编号：3446418