铜/金掺杂铂纳米晶氧还原催化性能的第一性原理研究

发布时间：2021-12-19 13:57

　　工业革命以来,地球化石能源的过度消耗及其导致的温室效应使得人们越来越关注新能源的开发与利用。质子交换膜燃料电池拥有清洁和可持续发展的优点,是解决能源危机的方法之一。阴极电催化剂表面氧还原反应(ORR)动力学缓慢和稳定性较差是限制低温燃料电池产业化的瓶颈之一,高效、稳定、低成本阴极电催化剂的研发至关重要。相比于现阶段使用广泛的商业化铂碳催化剂,基于尺寸、成分、表面结构调控构筑的高比表面积Pt基纳米结构表现出优异的ORR活性,成为了高性能阴极电催化剂研究开发的重点对象。本文从阴极电催化剂所面临的问题出发,对Pt基纳米粒子进行材料设计,利用密度泛函理论(DFT)研究其催化活性和电化学稳定性,主要内容如下:(1)利用DFT方法对Cu掺杂的截角八面体Pt纳米粒子表面结构及其ORR活性进行了研究。计算结果表明:表面固有缺陷(如顶点和棱边)及其诱导的非均匀表面应变使得Pt表面的氧吸附能力过强,在内核掺杂Cu组分可弱化Pt的氧吸附能力,形成双层Pt肤时效果尤其显著,接近吸附能—活性火山曲线峰值。同时,发现Cu掺杂可有效提高清洁Pt肤表面溶解电位(替换次表层时效果最佳),但催化条件下氧的吸附可诱导Cu偏...

【文章来源】： 湖南农业大学湖南省

【文章页数】：59 页

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 燃料电池的工作原理
    1.3 Pt催化剂的作用机理
    1.4 Pt基催化剂的研究进展
        1.4.1 Pt基催化剂ORR活性的研究进展
        1.4.2 Pt基催化剂电化学稳定性的研究进展
    1.5 本研究工作的意义、目的和内容
第二章 理论基础
    2.1 量子力学
        2.1.1 波函数与薛定谔方程
        2.1.2 绝热近似
        2.1.3 单电子近似
    2.2 密度泛函理论
        2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
        2.2.2 Kohn-Sham定理
        2.2.3 交换关联泛函
        2.2.4 平面波基组
        2.2.5 赝势理论
    2.3 VASP软件包
第三章 Cu掺杂Pt肤纳米晶的氧还原催化性能
    3.1 引言
    3.2 计算模型与方法
        3.2.1 计算模型
        3.2.2 计算方法
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 表面结构分析
        3.3.2 氧吸附能分布及ORR催化活性分析
        3.3.3 表面结构-催化活性关系
        3.3.4 电化学稳定性分析
    3.4 本章小结
第四章 表面Au修饰Pt纳米晶的电化学稳定性
    4.1 引言
    4.2 计算模型与方法
        4.2.1 计算模型的构建
        4.2.2 计算方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 Au/Pt(111)表面的热力学稳定结构
        4.3.2 Au/Pt(111)表面金属的电化学稳定性
        4.3.3 TOC纳米晶的电化学稳定性
        4.3.4 TOC纳米晶的电子结构及其催化性能分析
    4.4 本章小结
第五章 结论与展望
参考文献
作者简历及在读期间发表的学术论文及研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池的关键技术 [J]. 侯明,衣宝廉.  科技导报. 2016(06)
[2]车用燃料电池现状与电催化 [J]. 俞红梅,衣宝廉.  中国科学:化学. 2012(04)
[3]质子交换膜燃料电池发展前景探讨 [J]. 张丽彬,陈晓宁,吴文健,高洪涛.  农业工程技术(新能源产业). 2011(04)



本文编号：3544539