單原子催化劑(single-atom catalysts,SACs)因其“以一當(dāng)十”的極高催化效率以及最大化的原子利用率,引發(fā)了催化界的廣泛關(guān)注。但是當(dāng)粒子尺寸縮小到原子層面時(shí),極高的比表面積會促使表面自由能的急劇升高,因而單原子很容易團(tuán)聚耦合形成團(tuán)簇而失活,所以實(shí)驗(yàn)上金屬原子的負(fù)載量很低,相鄰位點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)(>>1nm)。理論研究通常將活性位點(diǎn)視為孤立中心,近似認(rèn)為位點(diǎn)間獨(dú)立催化,互不干擾。但是低密度的單原子催化劑終究難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要,因此越來越多的研究者致力于發(fā)展高密度單原子催化劑。隨著先進(jìn)的制備和表征技術(shù)的發(fā)展,金屬的負(fù)載量也逐漸增大,位點(diǎn)間的距離越來越近,所以活性位點(diǎn)之間的相互作用就不可忽略,最近的一些工作也都驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此研究鄰近位點(diǎn)之間的相互作用及其對催化反應(yīng)的影響,對調(diào)控單原子催化劑的活性以及對增強(qiáng)非均相催化劑機(jī)理的認(rèn)識都具有非常重要的意義。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)是一種通過氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生水進(jìn)而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝備,然而陰極緩慢的氧化原反應(yīng)(Oxygen Reduction Reaction,ORR)嚴(yán)重阻礙了 PEMFCs的發(fā)展。...

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 氧還原反應(yīng)(ORR)簡介
        1.2.1 ORR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理
        1.2.2 ORR催化劑進(jìn)展
            1.2.2.1 鉑族金屬電催化劑
            1.2.2.2 非鉑族金屬電催化劑
            1.2.2.3 碳基電催化劑
            1.2.2.4 單原子電催化劑
    1.3 單原子催化簡介
        1.3.1 高金屬負(fù)載量單原子催化劑的常見制備方法
            1.3.1.1 熱解法
            1.3.1.2 濕化學(xué)法
        1.3.2 高金屬負(fù)載量單原子催化劑的合適的襯底
        1.3.3 SACs的表征技術(shù)
            1.3.3.1 電子顯微術(shù)
            1.3.3.2 X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(XAFS)
            1.3.3.3 紅外光譜(IR)
            1.3.3.4 其它方法
        1.3.4 高金屬負(fù)載量單原子催化劑在催化應(yīng)用方面的最新進(jìn)展
            1.3.4.1 氧還原反應(yīng)(ORR)
            1.3.4.2 水分解反應(yīng)(OER和HER)
            1.3.4.3 二氧化碳還原反應(yīng)(CO₂RR)
            1.3.4.4 其它催化反應(yīng)
    參考文獻(xiàn)
第2章 理論方法簡介
    2.1 密度泛函理論
        2.1.1 密度泛函理論基礎(chǔ)
            2.1.1.1 Tomas-Fermi-Dirac理論
            2.1.1.2 Hohenberg-Kohn定理
            2.1.1.3 Kohn-Sham定理
        2.1.2 交換相關(guān)泛函
            2.1.2.1 局域密度近似(LDA)
            2.1.2.2 廣義梯度近似(GGA)
            2.1.2.3 雜化泛函
    2.2 量化計(jì)算軟件包
    參考文獻(xiàn)
第3章 單分散Fe-N-C催化劑位點(diǎn)的密度對氧還原反應(yīng)的影響
    3.1 TM-N-C單原子催化劑
    3.2 計(jì)算細(xì)節(jié)
        3.2.1 計(jì)算方法
        3.2.2 反應(yīng)機(jī)理
        3.2.3 反應(yīng)吉布斯自由能的計(jì)算
    3.3 結(jié)果與討論
        3.3.1 高密度FeN₃的鄰位效應(yīng)對于ORR反應(yīng)的影響
            3.3.1.1 FeN₃模型的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)
            3.3.1.2 FeN₃模型上ORR的反應(yīng)機(jī)理
            3.3.1.3 FeN₃的鄰位效應(yīng)對于ORR 4e^-反應(yīng)路徑的影響
            3.3.1.4 FeN₃的鄰位效應(yīng)對于ORR 2e^-反應(yīng)路徑的影響
        3.3.2 高密度FeN₄的鄰位效應(yīng)對于ORR反應(yīng)的影響
            3.3.2.1 FeN₄模型的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)
            3.3.2.2 FeN₄模型上ORR的反應(yīng)路徑
            3.3.2.3 FeN₄的鄰位效應(yīng)對于ORR 4e^-反應(yīng)路徑的影響
            3.3.2.4 FeN₄的鄰位效應(yīng)對于ORR 2e^-反應(yīng)路徑的影響
            3.3.2.5 FeN₄氧化還原誘導(dǎo)的Fe-N鍵的轉(zhuǎn)換
        3.3.3 極高密度的FeNx(x=3,4)ORR反應(yīng)的研究
            3.3.3.1 極高密度FeN₃和FeN₄單原子催化劑結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)
            3.3.3.2 極高密度FeN₃和FeN₄單原子催化劑的ORR反應(yīng)機(jī)理
    3.4 工作總結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第4章 總結(jié)與展望
    4.1 結(jié)論與總結(jié)
    4.2 展望
致謝
攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果



本文編號：3895287