氮雜碳納米材料催化氧還原反應：機理及性能研究

第1章 緒論1
1.1燃料電池2
1.1.1陰極氧還原反應3
1.1.2陰極氧還原反應催化劑4
1.2氮雜碳納米材料催化劑性能研究7
1.2.1主要性能7
1.2.2主要研究方法9
1.2.3主要應用及趨勢分析12
1.2.4相關政策及導向14
1.3.圖書框架結構及撰寫目的16
1.3.1框架結構16
1.3.2內容特色16
1.3.3撰寫目的17
參考文獻17

第2章 理論基礎與計算方法30
2.1概況31
2.1.1Born-Oppenheimer近似32
2.1.2電子問題3
22.2理論基礎33
2.2.1Thomas-Fermi模型34
2.2.2Hohenberg-Kohn（HK）定理34
2.2.3Kohn-Sham方程35
2.2.4交換相關泛函37
2.2.5基組41
2.3計算方法43
2.3.1使用基組44
2.3.2自旋極化44
2.3.3過渡態搜索45
2.4計算參數和公式45
2.4.1計算參數45
2.4.2計算公式46
參考文獻48

第3章 FeNx-G(x=2 2,4)結構催化劑性能研究52
3.1計算模型及參數54
3.2催化劑的形成能和結合能55
3.3FeN2 2-G催化劑的ORR催化機理55
3.3.1O2在FeN2 2-G表面上的吸附55
3.3.2O2分子的解離及OOH的形成57
3.3.3OOH（ads）的解離與還原58
3.3.4O（ads）和OH（ads）的還原60
3.3.5ORR催化路徑61
3.4FeN4-G催化劑的ORR催化機理64
3.4.1O2的吸附和解離65
3.4.2OOH的形成67
3.4.3OOH（ads）的還原67
3.4.4電極電勢對ORR的影響71
3.4.5ORR催化路徑72
3.5FeNx-G（x=2 2,4）結構催化劑ORR催化性能73
參考文獻74

第4章 FeN2-G結構催化劑性能研究79
4.1計算參數及模型80
4.2中間體的吸附82
4.2.1氧分子的吸附82
4.2.2H2O2分子的吸附與解離84
4.2.3其他中間體的吸附85
4.2.4結構對吸附性質的影響85
4.3ORR催化機理88
4.3.1O2（ads）的解離和還原88
4.3.2OOH的解離和還原90
4.3.3O（ads）和OH（ads）的還原92
4.3.4ORR催化路徑94
4.3.5電極電勢對ORR的影響95
4.4FeN2-G結構催化劑ORR催化性能98
參考文獻99

第5章 FeN3-G結構催化劑性能研究102
5.1計算參數及模型103
5.2中間體的吸附104
5.2.1氧分子的吸附105
5.2.2水分子的吸附107
5.2.3OOH的吸附107
5.2.4H2O2的吸附107
5.3ORR催化機理109
5.3.1O2（ads）的解離109
5.3.2OOH的形成111
5.3.3OOH的解離112
5.3.4OOH（ads）的還原113
5.3.5O和OH的還原11
35.4ORR路徑114
5.4.1動力學分析114
5.4.2熱力學分析115
5.5外電場對H2O分子吸附的影響116
5.5.1計算方法與模型117
5.5.2H2O分子的吸附118
5.5.3外電場對結構的影響119
5.5.4外電場對吸附能和吸附高度的影響125
5.5.5外電場對吸附體系的影響126
5.6FeNx-G的ORR性能比較127
參考文獻131

第6章 CoNx-G（x=2 2,4）結構催化劑性能研究134
6.1計算參數及模型135
6.2CoN2 2-G催化劑的ORR機理136
6.2.1中間體在表面上的吸附136
6.2.2O2的解離和OOH的形成138
6.2.3四電子反應路徑139
6.2.4二電子反應路徑141
6.2.5氧還原反應機理142
6.2.6吉布斯自由能變化142
6.3CoN4-G催化劑的ORR機理143
6.3.1中間體在表面上的吸附143
6.3.2O2的解離和OOH的形成146
6.3.3四電子反應路徑147
6.3.4二電子反應路徑148
6.3.5氧還原反應機理149
6.3.6吉布斯自由能變化149
6.4ORR催化性能150
參考文獻151

第7章 CoN2-G結構催化劑性能研究153
7.1計算參數及模型154
7.2中間體的吸附156
7.2.1O2的吸附156
7.2.2H2O2的吸附158
7.3ORR反應160
7.3.1O2（ads）的解離及OOH的形成160
7.3.2OOH（ads）的還原162
7.3.3H2O2（ads）的生成163
7.3.4O（ads）和OH（ads）的還原166
7.4電位對ORR的影響169
7.5CoN2-G的ORR催化性能比較174
7.6MNx-G的ORR催化性能比較176
參考文獻178

第8章 氮雜石墨烯催化劑性能研究180
8.1計算模型及參數181
8.2ORR催化機理182
8.2.1O2在氮雜石墨烯上的吸附182
8.2.2O2的解離和OOH的生成183
8.2.3二電子還原路徑184
8.2.4四電子還原路徑186
8.3ORR催化性能189
參考文獻189

張靜

太原科技大學化學與生物工程學院副教授，碩士生導師，中國科學院山西煤炭化學研究所博士，物理化學專業。主要從事燃料電池能量轉化，催化機理，小原子、分子在固體表面的吸附與解離，理論計算化學等領域的研究。在Journal of Materials Chemistry A.，Journal of Power Sources，Journal of The Electrochemical Society，Journal of Molecular Modeling，Surface and Interface Analysis，結構化學，化學學報等國內外學術期刊發表SCI論文20餘篇。