化石燃料的巨大消耗導(dǎo)致了一系列環(huán)境污染和氣候變化等問題,因而可持續(xù)清潔能源的合理利用就變得尤為重要。質(zhì)子交換膜燃料電池具有運(yùn)行安靜、啟動(dòng)快速,能量轉(zhuǎn)換效率高和無污染物排放等優(yōu)點(diǎn),它被認(rèn)為是一種極具潛力的固定、便攜式和車載應(yīng)用的清潔電源。然而,由于其陰極催化劑存在成本高昂和催化活性不足等問題,使得燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程受到了阻礙。因此,開發(fā)出催化活性高以及成本低廉的新型催化劑變得尤為重要。Fe-N-C氧還原催化劑因其來源豐富、成本低廉以及較高的活性而被普遍認(rèn)為是鉑基貴金屬最有潛力的替代品之一。本文通過密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,研究了有少量Fe3C/Fe修飾的Fe N4以及兩種Fe-N-C/MXene催化劑的氧還原電催化活性。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)果可分為如下幾個(gè)部分:第一部分是以Fe N4和有少量Fe3C/Fe修飾的Fe N4為模型研究了它們的氧還原反應(yīng)催化機(jī)理。利用第一性原理計(jì)算得到了其氧還原反應(yīng)中氧氣的吸附特性,并通過Bader電荷分析了原子的得失電子情況,發(fā)現(xiàn)有Fe3C/Fe團(tuán)簇修飾的Fe N4催化劑,其吸附的氧原子周圍會(huì)積累更多的額外電荷,從而產(chǎn)生相對(duì)較大的吸附能并促進(jìn)氧還原... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

PEM燃料電池示意圖[11]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-7-晶電極，發(fā)現(xiàn)Pt3Ni(111)表面氧還原反應(yīng)的活性比相應(yīng)的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化劑活性的90倍[24,25]，如圖1-2所示。在此基礎(chǔ)上，VojislavR.Stamenkovic課題組與PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架結(jié)構(gòu)的納米顆粒，發(fā)現(xiàn)Pt3Ni納米框架催化劑相比于現(xiàn)有技術(shù)的Pt/C催化劑，其氧還原反應(yīng)的質(zhì)量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。圖1-2催化劑活性與d帶中心和表面形態(tài)的關(guān)系[24,25]Pt3Ni的成功制備開啟了鉑合金用來催化ORR的熱潮。雖然雙金屬Pt-Ni納米結(jié)構(gòu)代表了一類燃料電池氧還原電催化劑，但其應(yīng)用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了過渡金屬摻雜的Pt3Ni八面體，稱為M-Pt3Ni/C（M是釩、鉻、錳、鐵、鈷、鉬或鎢），其中Mo-Pt3Ni/C的氧還原性能最好，其比活性和質(zhì)量活性與商用Pt/C催化劑相比，分別提高了81倍和73倍。除了鉑鎳合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八個(gè)鉑-鑭系和鉑-堿土電極Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧還原反應(yīng)，其氧還原反應(yīng)電催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比純Pt的活性增強(qiáng)3到6倍，不僅如此，他們還通過調(diào)控Pt的晶格應(yīng)力，壓縮Pt的晶面間距，發(fā)現(xiàn)了Pt5M結(jié)構(gòu)的氧還原反應(yīng)活性與其晶格參數(shù)呈現(xiàn)火山型曲線。為了高效的利用Pt，并減少其使用量，人們研究了其單晶、納米顆粒和框架結(jié)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-7-晶電極，發(fā)現(xiàn)Pt3Ni(111)表面氧還原反應(yīng)的活性比相應(yīng)的Pt(111)表面高10倍，并且是Pt/C催化劑活性的90倍[24,25]，如圖1-2所示。在此基礎(chǔ)上，VojislavR.Stamenkovic課題組與PeidongYang等人[26]在2014年合成了框架結(jié)構(gòu)的納米顆粒，發(fā)現(xiàn)Pt3Ni納米框架催化劑相比于現(xiàn)有技術(shù)的Pt/C催化劑，其氧還原反應(yīng)的質(zhì)量活性提高了36倍，比活性提高了22倍。圖1-2催化劑活性與d帶中心和表面形態(tài)的關(guān)系[24,25]Pt3Ni的成功制備開啟了鉑合金用來催化ORR的熱潮。雖然雙金屬Pt-Ni納米結(jié)構(gòu)代表了一類燃料電池氧還原電催化劑，但其應(yīng)用仍然受到催化活性和耐久性的限制。YuHuang和TimMueller等人[27]在2015年合成了過渡金屬摻雜的Pt3Ni八面體，稱為M-Pt3Ni/C（M是釩、鉻、錳、鐵、鈷、鉬或鎢），其中Mo-Pt3Ni/C的氧還原性能最好，其比活性和質(zhì)量活性與商用Pt/C催化劑相比，分別提高了81倍和73倍。除了鉑鎳合金外，Chorkendorff和Stephens等人[28]在2016年研究了八個(gè)鉑-鑭系和鉑-堿土電極Pt5M（M=La,Ce,Sm,Gd,Tb,Dy,Tm和Ca）上的氧還原反應(yīng)，其氧還原反應(yīng)電催化活性排名如下：Pt5Tb>Pt5Gd>Pt5Sm>Pt5Ca≈Pt5Dy>Pt5Tm>Pt5Ce>Pt5La>>Pt，所有材料都比純Pt的活性增強(qiáng)3到6倍，不僅如此，他們還通過調(diào)控Pt的晶格應(yīng)力，壓縮Pt的晶面間距，發(fā)現(xiàn)了Pt5M結(jié)構(gòu)的氧還原反應(yīng)活性與其晶格參數(shù)呈現(xiàn)火山型曲線。為了高效的利用Pt，并減少其使用量，人們研究了其單晶、納米顆粒和框架結(jié)


本文編號(hào)：2917490