Pt团簇的电子结构及其催化氧化还原反应研究

发布时间：2018-03-24 22:28

  本文选题：燃料电池　切入点：Pt纳米团簇催化剂　出处：《北京邮电大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着化石燃料的不断消耗,能源危机日益加重。人们急需一种高效清洁的能源转化技术。在此基础上,燃料电池越来越受到人们关注。燃料电池可以将化学能直接转化为电能而不需要经过燃烧阶段,是一种清洁高效的能源设备。在车辆,便携式移动设备和分布式电厂等领域很有应用前景。其中,质子交换膜能源电池(PEMFC)是最清洁高效的燃料电池类型之一。然而,PEMFC的电极材料成本过高以及稳定性不够优良一直是阻碍其商业普及化的原因。因此,寻找一种成本低廉稳定性优良的催化剂具有很重要的意义。本文中我们使用第一性原理计算的方法,首先对正二十面体核壳结构M13Pt42 (M=A1,Ga, In, Mg,Ca,Sr)的电子结构以及物理结构做了细致的研究。研究结果表明,从核壳作用能以及溶解势来看,Mg13Pt42, Al13Pt42和Ga13Pt42作为燃料电池的催化剂拥有较好的稳定性。从它们的态密度以及电荷密度的来分析,Ⅲ族元素与Pt壳是通过p-d轨道耦合的方式相互作用的,而Ⅱ族元素是通过d-d轨道耦合的方式相互作用的。另外,0原子在材料上的吸附能与材料表面Pt原子得到的电荷有密切关系。其次在基于前面的研究基础上对M13Pt42(M=Al,Ga,In)材料表面的吸附机制与氧化还原机制做了深入的研究。研究结果表明,Pt(111)表面的对小分子中间产物的吸附要强于M13Pt42;在M13Pt42中,大多数情况下,Ga13Pt42的吸附能是最弱的;In13Pt42的吸附能要强于A113Pt42的吸附能。另外,O、O2和OH吸附在Pt (111)和In13Pt42上的最稳定位置与Al13Pt42和 Ga13Pt42的最稳定位置不同。导致这种差异的原因可能是表面张力效应。对于M13Pt42 (M=A1,Ga,In)团簇材料O2直接分解机制的最大能量势垒更低,更有利于氧化还原反应;而对于Pt(1 11),O2生成OOH机制的能量势垒更低,也更容易发生。M13Pt42在O2分解机制上的能量势垒为0.55左右,远远低于Pt (111)的0.91eV。最后,结合结构性质研究的结果与氧化还原反应模拟的结果来看,A113Pt42和 Ga13Pt42作为新型催化剂,在催化氧化还原反应上很有研发价值。
[Abstract]:With the constant consumption of fossil fuels, the energy crisis is getting worse and worse. People urgently need a kind of efficient and clean energy conversion technology. Fuel cells are getting more and more attention. Fuel cells can convert chemical energy directly into electric energy without going through the combustion stage. It is a clean and efficient energy device. Portable mobile devices and distributed power plants have great application prospects. PEMFC is one of the cleanest and most efficient fuel cell types. However, the high cost of electrode materials and poor stability of PEMFC have been the obstacles to its commercial popularity. It is very important to find a kind of catalyst with low cost and good stability. In this paper, we use the method of first-principle calculation. At first, the electronic and physical structures of the normal icosahedron core-shell structure M13Pt42 _ (MN) _ (A _ (1)) Ga, in, mg ~ (2 +) Ca ~ (2 +) are studied. The results show that, In terms of core-shell interaction energy and dissolution potential, Mg13Pt42, Al13Pt42 and Ga13Pt42 have good stability as catalysts for fuel cells. Group 鈪，

本文编号：1660309