氮雜碳納米材料催化氧還原反應：機理及性能研究






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	目錄第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