【摘要】：密度泛函理論在設計新型材料的工作中扮演著越來越重要的角色,主要是利用計算機軟件程序來實現(xiàn)具體體系的性質(zhì)計算,目前計算機的快速發(fā)展與理論相結(jié)合也為設計新型材料提供了有效地手段。隨著全球人口數(shù)量的日益增加,人們所面臨著越來越多的環(huán)境污染和資源短缺問題,因此就需要發(fā)展清潔能源來解決這些難題。其中,電化學反應是一種能夠?qū)⒒瘜W能和電能相互轉(zhuǎn)化的方法,它可以將水分解成氫氣和氧氣來存儲能量,這些產(chǎn)物又能夠作為產(chǎn)生電能的清潔能源,最重要的是在整個電化學反應過程中零污染物排放。因此,電化學方法成為了降低溫室氣體排放的長期可持續(xù)發(fā)展的應用方法。然而,電化學反應的動力學卻阻礙著這個技術(shù)的應用效率,所以設計出高活性和成本效益好的催化劑成為電化學反應發(fā)展和應用的關(guān)鍵。本文以密度泛函理論為基礎(chǔ),以Fe_2O_3(0001)表面、Fe_2O_3團簇和Fe_4O_團簇為研究對象,計算它們作為析氧反應催化劑的催化活性。具體內(nèi)容如下:第一章主要介紹的是密度泛函理論。對密度泛函理論的一些近似方法和發(fā)展做了簡要的概述。通過求解方程,找到原始相互作用體系的基態(tài)密度和能量;并且通過使用非相互作用的獨立粒子體系方法來計算出精確的多體粒子體系的性質(zhì)。其次,密度泛函理論方法是通過應用程序來實現(xiàn)具體體系的性質(zhì)計算,在密度泛函理論的發(fā)展和應用中,商業(yè)軟件包的發(fā)展也為計算的實現(xiàn)提供了有效地手段,本章最后還介紹了一些相關(guān)的計算軟件包。第二章主要介紹的是析氧反應的反應機理。目前認可的反應機理是四電子轉(zhuǎn)移機理,每一步反應都將轉(zhuǎn)移一個電子和質(zhì)子。在析氧反應四電子轉(zhuǎn)移機理的基礎(chǔ)上,我們通過第一性原理計算得到反應的初始態(tài),中間態(tài)以及最終態(tài)的結(jié)構(gòu),從而得到每一步反應的反應自由能,計算反應過程中的決勢步和理論過電勢。綜合這些結(jié)構(gòu)的吸附能,反應自由能,理論過電勢和電荷分析來研究催化劑的催化活性。第三章以第一性原理和析氧反應的反應機理為基礎(chǔ),以Fe_2O_3(0001)表面為研究對象,計算表面析氧反應的催化過程。然后將最上層的一個Fe原子替換為Ni或Co原子,研究了摻雜對表面析氧反應催化活性的影響。研究發(fā)現(xiàn)析氧反應過程中的決勢步是~*OH生成~*O的反應步,摻雜原子能夠提高表面的催化活性,其中Co摻雜表面上Co作為吸附位點時,析氧反應的過電勢最低(0.63V),催化活性最好。第四章以第一性原理和析氧反應的反應機理為基礎(chǔ),分別以Fe_2O_3團簇和Fe_4O_團簇為研究對象,計算了團簇析氧反應的催化過程,同樣也研究了摻雜對催化活性的影響。研究發(fā)現(xiàn)催化劑析氧反應過程中的決勢步是~*OH生成~*O的反應步。另外,在Fe_2O_3團簇中,Co摻雜時,析氧反應的過電勢最低(0.67V),催化活性最好;而在Fe_4O_團簇中,Ni原子摻雜時,析氧反應的過電勢最低(0.55V),催化活性最好。
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【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36

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