基于石墨烯的高效氧还原电催化性能的理论研究

发布时间：2017-08-27 03:21

  本文关键词：基于石墨烯的高效氧还原电催化性能的理论研究

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【摘要】：自石墨烯2004年被发现以来,由于其独特的单原子层结构,良好的导电性和巨大的比表面积,已经被作为非均相催化剂的载体并引起了科学家们极大的兴趣。随着石墨烯的发展,科学家发现硼氮石墨烯与石墨烯的结构相似,且具有与石墨烯不同的独特性质及广泛的应用,因此人们的视线也逐渐转移到了六角硼氮石墨烯上。最近,计算模拟方法日趋完善,计算机技术的不断增强,因而,其可以用于解释低维纳米结构材料的各种现象,还可以解决在实验室无法进行的实验。在本论文中,我们利用密度泛函理论,对金属掺杂二维材料进行了几何结构、电子结构、催化性能等方面的理论研究,为其在催化领域的应用提供理论指导。具体结果如下:(1)Fe掺杂硼氮石墨烯作为新型ORR电催化剂的构建及催化性能的评估。结果表明,Fe原子可以与缺陷硼氮石墨烯强烈的结合,确保了它的稳定性。Fe掺杂硼氮石墨烯可以有效的活化O_2分子,这是ORR发生的前提。随后,活化的O_2分子可以通过一个4e过程转化为H2O分子。其中,每一步基元反应的吉布斯自由能都是负值,说明反应是自发的。因而,Fe掺杂硼氮石墨烯基具有优异的催化性能,可以作为Pt的替代物,成为ORR的催化剂。(2)M-P-C(M=Fe,Co)结构作为ORR催化剂的构建。计算结果表明Fe-和Co-P4结构嵌入石墨烯具有很好的稳定性和较高的化学活性,且吸附的O_2分子在其表面被激活,从而有利于后续ORR步骤的进行以及在酸性和碱性介质中4e-途径的进行。此外,通过分析自由能谱发现,在碱性介质中进行的ORR催化,Fe-P4结构嵌入石墨烯比Co-P4结构作为电催化剂的效率要高。本文研究结果可以根据金属嵌入缺陷石墨烯和硼氮石墨烯的性质特点来设计它在催化领域的用途,而且为设计低廉、高效的催化剂提供有益的指导。
【关键词】：石墨烯 密度泛函理论 氧还原反应 燃料电池
【学位授予单位】：哈尔滨师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TM911.4
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 石墨烯的研究进展9-14
• 1.2.1 石墨烯的结构9-11
• 1.2.2 石墨烯的性质11-12
• 1.2.2.1 电子性质11
• 1.2.2.2 光学性质11-12
• 1.2.2.3 热学性质12
• 1.2.2.4 力学性质12
• 1.2.3 石墨烯的应用12-14
• 1.3 石墨烯的化学修饰14-15
• 1.3.1 石墨烯的掺杂14-15
• 1.3.2 石墨烯的官能化15
• 1.3.3 金属掺杂石墨烯的研究进展15
• 1.4 本论文的研究意义和内容15-17
• 第2章 理论化学方法17-21
• 2.1 密度泛函理论17-19
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型17-18
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理18
• 2.1.3 Kohn-Sham方程18-19
• 2.1.4 交换相关能泛函19
• 2.2 本论文所使用的软件19-21
• 2.2.1 Dmol3简介19-20
• 2.2.2 函数20
• 2.2.3 基组20-21
• 第3章 Fe原子嵌入硼氮石墨烯作为氧还原反应电催化剂的理论研究21-34
• 3.1 研究背景21-22
• 3.2 计算方法22-23
• 3.3 结果与讨论23-33
• 3.3.1 Fe嵌入硼氮石墨烯的几何构型与稳定性23-26
• 3.3.2 O_2在Fe嵌入硼氮石墨烯上的吸附26-28
• 3.3.3 Fe嵌入式硼氮石墨烯表面的ORR途径28-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 Fe-和Co-P4嵌入石墨烯作为氧还原反应电催化剂的理论研究34-46
• 4.1 研究背景34-35
• 4.2 计算方法35
• 4.3 结果和讨论35-45
• 4.3.1 M-P4嵌入石墨烯的稳定性35-37
• 4.3.2 O_2在M-P4嵌入石墨烯上的吸附37-41
• 4.3.3 M-P4体系在酸性介质中的ORR41-43
• 4.3.4 M-P4体系在碱性介质中的ORR43-45
• 4.4 本章小结45-46
• 结论46-47
• 参考文献47-59
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文59-61
• 致谢61

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