當前,環(huán)境污染和能源危機等問題日益嚴峻,對社會發(fā)展和人類的生活產(chǎn)生了極大影響,因此尋找低成本、無污染、可持續(xù)發(fā)展的新型能源迫在眉睫。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)因其高發(fā)電效率和低污染排放而備受矚目,被認為是未來便攜能源站和交通工具中潛在的能源裝置。傳統(tǒng)的PEMFCs催化劑是Pt/C型納米催化劑(即金屬Pt負載于碳黑表面),但這類催化劑存在碳黑易在電化學環(huán)境中被腐蝕及表面金屬Pt的化學穩(wěn)定性較弱且價格昂貴等不足,因而尋找價格低廉、化學穩(wěn)定性和催化活性高的“代催化劑”是解決生產(chǎn)實際問題的關(guān)鍵。使用過渡金屬碳化物作為襯底材料負載金屬單原子及單原子層催化劑的設(shè)計方案,有望替代傳統(tǒng)催化劑,并解決PEMFCs催化劑中的存在的問題。本文以碳化鈮(NbC)為研究對象,采用了第一性原理和密度泛函理論方法,選取其最穩(wěn)定的非極化的(001)表面為催化劑基底,先后負載了9～11族金屬單原子及金屬單原子層催化劑,并通過不同的篩選標準,擬挑選最優(yōu)催化劑。同時以Pt(111)為參考,對比了NbC(001)催化劑、NbC(001)表面負載的Pt和Pd單層催化劑對氧還原反應(ORR)和氫氧化反應(HOR)的催化活...

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖3-1(a)純凈的NbC(001)表面模型與(b)過渡金屬負載的M/NbC(001)表面模型的（正視圖及側(cè)視圖）

分別如圖3-1(a)-(b)所示。

圖3.2(a)9～11族金屬單原子在NbC(001)表面的吸附能(ads,eV)，(b)表面金屬單原子的密里根電荷數(shù)目(QM),單位為電子電荷(e)，正值表示金屬失電子，負值代表金屬得電子

為進一步了解金屬單原子與襯底之間的相互作用情況，我們計算分析了不同體系密里根電荷情況[45]。如圖3-2(b)所示，金屬單原子在襯底表面得失電荷的情況與其被附強度之間存在很強的關(guān)聯(lián)性，即：對于第九族和第十族金屬單原子而言，原子所得荷量與它們在襯底表面的吸附能具有相同的規(guī)律性趨勢。

圖3.39～11族金屬單原子在NbC(001)表面的d-帶中心位置排布圖，圖中0.0eV處為費米能級（Ef）

金屬單原子在NbC(001)表面的d-帶中心位置排布圖，圖中0.0eV處為的位置知，在單原子尺寸下，過渡金屬的d-帶是不連續(xù)的，因此使用d道理論作為輔助，預測單原子催化劑的化學活性會更具有說服力

圖3-4M/NbC(001)型催化劑的態(tài)密度和吸附金屬與孤立O2分子的前線分子軌道分布圖

bC(001)型催化劑的態(tài)密度和吸附金屬與孤立O2分子的前線分子bC(001)負載的金屬單原子催化劑活性的因素節(jié)的結(jié)論，不同的金屬單子催化劑的催化活性有很大的單原子基本特性，筆者認為，催化活性的差異可能取決方面的差異和金屬原子電負性(E-N)的不同。功函數(shù)與束縛能力的物理....

本文編號：3941516