单原子催化剂对氮还原反应和一氧化碳氧化反应催化性能的理论研究

发布时间：2023-08-25 23:25

　　近年来,单原子催化剂的研究取得了重大进展。单原子催化剂在催化很多重要化学反应时都表现出了优异的催化性能。二维材料石墨烯具有高的比表面积和独特的电子性质,被广泛用作多种单原子催化剂的载体材料。氨是一种重要的化工原料,在很多领域都有应用。传统的合成氨工艺Haber-Bosch法具有能耗高,排放大量二氧化碳,反应条件苛刻等缺点,因而寻求一种能够在温和条件下进行氮还原反应的方法是人们一直追求的目标。在电催化剂的作用下,氮还原为氨的反应可以在常温常压下进行。电催化体系中,电催化剂起着举足轻重的作用。本文使用密度泛函理论(DFT)计算,将一系列过渡金属原子负载在N修饰的555-777石墨烯表面并研究其氮还原的电催化性能。DFT计算结果表明单个Mo原子负载于N修饰的555-777石墨烯是一种潜在的氮还原电催化剂,其过电势仅为0.41 V。NH₃分子的脱附也是一个很容易的过程,仅需要0.45 e V的能量。电子结构分析表明单个Mo原子负载于N修饰的555-777石墨烯的基态是高自旋极化的,这是其具有良好催化活性的一个重要原因。CO是一种对环境和人体危害极大的有毒气体,研究CO的消...

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 氮还原反应简介
        1.2.1 氮还原反应的研究背景
        1.2.2 氮还原反应的反应机理
        1.2.3 电化学氮还原反应的催化剂
    1.3 CO氧化反应简介
        1.3.1 CO氧化反应的研究背景
        1.3.2 CO氧化反应的反应机理
        1.3.3 CO氧化反应的催化剂
    1.4 本论文的主要内容
第二章 理论研究的计算方法
    2.1 引言
    2.2 量子力学基础理论
        2.2.1 薛定谔方程
        2.2.2 Born-Oppenheimer近似
        2.2.3 单电子近似
        2.2.4 Hartree-Fock近似
    2.3 密度泛函理论
        2.3.1 Thomas-Fermi模型
        2.3.2 Hohenberg-Kohn定理
        2.3.3 Kohn-Sham方法
    2.4 交换关联泛函
        2.4.1 局域密度近似(LDA)
        2.4.2 广义梯度近似(GGA)
        2.4.3 杂化密度泛函
    2.5 过渡态理论及搜索方法
        2.5.1 过渡态理论
        2.5.2 过渡态搜索方法
    2.6 计算使用的软件包
第三章 Mo和N共掺杂的石墨烯电催化氮还原的理论研究
    3.1 引言
    3.2 计算方法
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 单个金属原子锚定在N修饰的555-777石墨烯的稳定性
        3.3.2 筛选负载的过渡金属
        3.3.3 MoN3-Gr的结构、稳定性及其性质
        3.3.4 氮气分子的吸附
        3.3.5 电催化氮还原的性能研究
        3.3.6 良好催化性能的起源分析
    3.4 本章小结
第四章 Al和N共掺杂的石墨烯催化CO氧化反应的理论研究
    4.1 引言
    4.2 计算方法
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 AlN₃-Gr的几何结构及其稳定性
        4.3.2 小分子反应物的吸附
        4.3.3 CO氧化反应机理
        4.3.4 AlN₃-Gr催化活性的起源分析
    4.4 本章小结
第五章 总结
参考文献
在读期间发表的学术论文及研究成果
致谢



本文编号：3843505