本文關(guān)鍵詞：基于石墨烯的高效氧還原電催化性能的理論研究

  更多相關(guān)文章： 石墨烯 密度泛函理論 氧還原反應(yīng) 燃料電池

【摘要】：自石墨烯2004年被發(fā)現(xiàn)以來,由于其獨(dú)特的單原子層結(jié)構(gòu),良好的導(dǎo)電性和巨大的比表面積,已經(jīng)被作為非均相催化劑的載體并引起了科學(xué)家們極大的興趣。隨著石墨烯的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硼氮石墨烯與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似,且具有與石墨烯不同的獨(dú)特性質(zhì)及廣泛的應(yīng)用,因此人們的視線也逐漸轉(zhuǎn)移到了六角硼氮石墨烯上。最近,計(jì)算模擬方法日趨完善,計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷增強(qiáng),因而,其可以用于解釋低維納米結(jié)構(gòu)材料的各種現(xiàn)象,還可以解決在實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在本論文中,我們利用密度泛函理論,對金屬摻雜二維材料進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、催化性能等方面的理論研究,為其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。具體結(jié)果如下:(1)Fe摻雜硼氮石墨烯作為新型ORR電催化劑的構(gòu)建及催化性能的評估。結(jié)果表明,Fe原子可以與缺陷硼氮石墨烯強(qiáng)烈的結(jié)合,確保了它的穩(wěn)定性。Fe摻雜硼氮石墨烯可以有效的活化O_2分子,這是ORR發(fā)生的前提。隨后,活化的O_2分子可以通過一個4e過程轉(zhuǎn)化為H2O分子。其中,每一步基元反應(yīng)的吉布斯自由能都是負(fù)值,說明反應(yīng)是自發(fā)的。因而,Fe摻雜硼氮石墨烯基具有優(yōu)異的催化性能,可以作為Pt的替代物,成為ORR的催化劑。(2)M-P-C(M=Fe,Co)結(jié)構(gòu)作為ORR催化劑的構(gòu)建。計(jì)算結(jié)果表明Fe-和Co-P4結(jié)構(gòu)嵌入石墨烯具有很好的穩(wěn)定性和較高的化學(xué)活性,且吸附的O_2分子在其表面被激活,從而有利于后續(xù)ORR步驟的進(jìn)行以及在酸性和堿性介質(zhì)中4e-途徑的進(jìn)行。此外,通過分析自由能譜發(fā)現(xiàn),在堿性介質(zhì)中進(jìn)行的ORR催化,Fe-P4結(jié)構(gòu)嵌入石墨烯比Co-P4結(jié)構(gòu)作為電催化劑的效率要高。本文研究結(jié)果可以根據(jù)金屬嵌入缺陷石墨烯和硼氮石墨烯的性質(zhì)特點(diǎn)來設(shè)計(jì)它在催化領(lǐng)域的用途,而且為設(shè)計(jì)低廉、高效的催化劑提供有益的指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 密度泛函理論 氧還原反應(yīng) 燃料電池
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71;TM911.4
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 石墨烯的研究進(jìn)展9-14
• 1.2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)9-11
• 1.2.2 石墨烯的性質(zhì)11-12
• 1.2.2.1 電子性質(zhì)11
• 1.2.2.2 光學(xué)性質(zhì)11-12
• 1.2.2.3 熱學(xué)性質(zhì)12
• 1.2.2.4 力學(xué)性質(zhì)12
• 1.2.3 石墨烯的應(yīng)用12-14
• 1.3 石墨烯的化學(xué)修飾14-15
• 1.3.1 石墨烯的摻雜14-15
• 1.3.2 石墨烯的官能化15
• 1.3.3 金屬摻雜石墨烯的研究進(jìn)展15
• 1.4 本論文的研究意義和內(nèi)容15-17
• 第2章 理論化學(xué)方法17-21
• 2.1 密度泛函理論17-19
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型17-18
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理18
• 2.1.3 Kohn-Sham方程18-19
• 2.1.4 交換相關(guān)能泛函19
• 2.2 本論文所使用的軟件19-21
• 2.2.1 Dmol3簡介19-20
• 2.2.2 函數(shù)20
• 2.2.3 基組20-21
• 第3章 Fe原子嵌入硼氮石墨烯作為氧還原反應(yīng)電催化劑的理論研究21-34
• 3.1 研究背景21-22
• 3.2 計(jì)算方法22-23
• 3.3 結(jié)果與討論23-33
• 3.3.1 Fe嵌入硼氮石墨烯的幾何構(gòu)型與穩(wěn)定性23-26
• 3.3.2 O_2在Fe嵌入硼氮石墨烯上的吸附26-28
• 3.3.3 Fe嵌入式硼氮石墨烯表面的ORR途徑28-33
• 3.4 本章小結(jié)33-34
• 第4章 Fe-和Co-P4嵌入石墨烯作為氧還原反應(yīng)電催化劑的理論研究34-46
• 4.1 研究背景34-35
• 4.2 計(jì)算方法35
• 4.3 結(jié)果和討論35-45
• 4.3.1 M-P4嵌入石墨烯的穩(wěn)定性35-37
• 4.3.2 O_2在M-P4嵌入石墨烯上的吸附37-41
• 4.3.3 M-P4體系在酸性介質(zhì)中的ORR41-43
• 4.3.4 M-P4體系在堿性介質(zhì)中的ORR43-45
• 4.4 本章小結(jié)45-46
• 結(jié)論46-47
• 參考文獻(xiàn)47-59
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文59-61
• 致謝61

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