【摘要】：隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展,化石能源消耗巨大,能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日漸突出,清潔能源轉(zhuǎn)換裝置是解決相關(guān)問(wèn)題的有效方法。燃料電池就是一種具有能源使用率高又不污染環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化裝置。傳統(tǒng)燃料電池陰極使用的Pt基催化劑,由于其昂貴的價(jià)格、低豐度、低耐久度以及CO中毒等問(wèn)題,阻礙了其商業(yè)化的快速發(fā)展。相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論研究發(fā)現(xiàn),非金屬摻雜的石墨烯材料可以做為替代Pt基催化劑的潛在的新型電極催化劑。該文使用基于包含色散矯正的密度泛函理論(DFT-D)的第一性原理方法探索了硫摻雜石墨烯(SGV)上的氧還原反應(yīng)(ORR)機(jī)理,以及硅和磷雙摻雜石墨烯(Si-P-G)的直接合成過(guò)氧化氫(DSHP)的反應(yīng)機(jī)理,主要研究工作及結(jié)果如下:1.通過(guò)基于包含色散矯正的密度泛函理論研究了SGV上的氧還原反應(yīng)機(jī)理,并且給出了其動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程的全部細(xì)節(jié)。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,SGV相當(dāng)穩(wěn)定,而且S摻雜劑做為潛在的活性中心。根據(jù)動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析,這里有兩種ORR可能的路徑:OOH解離過(guò)程和OOH加氫過(guò)程,對(duì)應(yīng)的限速步分別為0.75 eV和0.62 eV。ORR過(guò)程的吉布斯自由能表明HOOH加氫是最佳路徑,甚至在0.86 V的高電勢(shì)下也可以進(jìn)行。DFT-D計(jì)算表明SGV是催化ORR過(guò)程的高效催化劑。2.通過(guò)基于含色散矯正的密度泛函理論研究了Si-P-G上的氧還原反應(yīng)機(jī)理。最穩(wěn)定的Si-P-G構(gòu)型中,摻雜劑區(qū)域?qū)ξ胶瓦�原氧分子扮演了重要的角色。根據(jù)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)分析,二電子路徑是DSHP的還原過(guò)程。O_2加氫形成OOH是限速步,對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘是0.66 eV。勢(shì)能面通過(guò)計(jì)算吉布斯自由能給出。所有的結(jié)果表明Si-P-G是一個(gè)對(duì)DSHP具有高活性和高選擇性的催化劑。
[Abstract]:With the rapid development of industrial technology, fossil energy consumption is huge, energy crisis and environmental pollution problems are increasingly prominent, clean energy conversion device is an effective method to solve the related problems. Fuel cell is a kind of energy conversion device with high energy efficiency and no pollution to the environment. Because of its high price, low abundance, low durability and CO poisoning, the traditional Pt catalyst used in the cathode of fuel cell has hindered the rapid development of its commercialization. Related experiments and theoretical studies show that nonmetal doped graphene can be used as a potential new electrode catalyst instead of Pt based catalyst. The first principle method based on density functional theory (DFT-D) including dispersion correction is used to explore the (ORR) mechanism of oxygen reduction over sulfur doped graphene (SGV). The mechanism of the direct synthesis of hydrogen peroxide (DSHP) from silicon and phosphorus double doped graphene (Si-P-G) is discussed. The main results are as follows: 1. Based on the density functional theory including dispersion correction, the mechanism of oxygen reduction on SGV is studied, and all the details of its kinetic and thermodynamic processes are given. The results show that SGV is quite stable and S dopant is the potential active center. According to the kinetic process analysis, there are two possible paths for ORR: OOH dissociation process and OOH hydrogenation process. The Gibbs free energy of the corresponding rate-limiting steps of 0.75 eV and 0.62 eV.ORR shows that HOOH hydrogenation is the best path. DFT-D calculations show that SGV is an efficient catalyst for the catalytic ORR process. Based on the density functional theory (DFT) with dispersion correction, the mechanism of oxygen reduction on Si-P-G was studied. In the most stable Si-P-G configuration, the dopant region plays an important role in the adsorption and reduction of oxygen molecules. According to the kinetic and thermodynamic analysis, the two-electron path is the reduction process of DSHP. The hydrogenation of O _ s _ 2 to OOH is a rate-limiting step with a corresponding barrier of 0.66 eV.. The potential energy surface is given by calculating Gibbs free energy. All the results show that Si-P-G is a catalyst with high activity and selectivity to DSHP.
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O643.36

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本文編號(hào)：2391119