本文主要研究内容
作者刘士则（2019）在《基于石墨烯掺杂体系的氧还原反应电催化剂的理论研究》一文中研究指出：质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为一种通过氢气和氧气反应生成水进而将化学能转化成电能的装置,因其具有零污染且电能转换效率高等优点而被广泛关注。然而阴极缓慢的氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction,ORR）严重制约了PEMFCs的发展。迄今为止,金属铂（Pt）及其合金仍然是公认的最好的PEMFCs阴极催化剂。但因其寿命短、成本高、储量低且容易被CO氧化等缺点一直不能实现商业化应用。因此,寻找能取代Pt及其合金的ORR催化剂是发展PEMFCs的重要环节。近几年的研究发现杂原子掺杂尤其是金属和氮原子共掺杂碳材料具有较好的ORR催化性能且成本低、稳定性高,吸引了众多科研工作者的目光。本文基于密度泛函理论,通过计算形成能、电荷分布、过渡态和自由能等方法,系统研究了几种不同金属和氮原子共掺杂双空位石墨烯的ORR电催化活性,并对催化反应机制进行了深入探讨。本文主要研究内容如下:1、铱（Ir）和氮原子（N）共掺杂双空位石墨烯催化剂。针对IrN4共掺杂双空位石墨烯展开ORR反应机理和自由能变化研究。从电荷转移和差分电荷密度分析得出IrN4和它相邻的十个碳原子（C）构成了催化活性位点。研究结果表明,O2在此催化剂表面为化学吸附。随后,在ORR机理研究中发现活化的O2分子可以通过三条ORR竞争反应路径完成4e-反应过程且最终生成两分子H2O。其中动力学最优路径是O2分子氢化成OOH,OOH氢化成2OH的过程。这个路径的决速步骤是OOH氢化成2OH。从自由能曲线图中可以看出,每一步的基元反应的吉布斯自由能都是负值,这说明ORR在该催化剂表面是一个自发放热的过程。结合外电势的影响,所预测该催化剂的工作电压是0.41 V。2、铁（Fe）卟啉催化剂。铁（Fe）卟啉催化剂的催化活性位点是FeN4以及与之相邻的八个C原子。反应机理研究表明该催化剂的动力学最优反应路径是O2分子氢化形成OOH,然后OOH氢化形成O+H2O的过程。动力学决速步骤是O2氢化成OOH的过程,反应能垒为0.09 eV。热力学研究表明,铁（Fe）卟啉催化剂的工作电压为0.52 V。3、氧改性的钌（Ru）和氮（N）共掺杂双空位石墨烯催化剂。研究发现经过氧改性的RuN4掺杂双空位石墨烯比RuN4掺杂双空位石墨烯无论是在动力学上还是热力学都具有更好的ORR催化活性。对于氧改性的RuN4掺杂双空位石墨烯,RuN4和它相邻的八个C原子构成了催化活性位点。HOOH在该催化剂表面不能保持其稳定的化学结构,因此ORR在此催化剂表面是一个4e-转移过程。过渡态计算表明动力学最优反应路径是O2分子氢化形成OOH,然后OOH氢化形成O+H2O的过程,决速步骤为O原子氢化成OH。通过计算不同电极电势下的ORR自由能变化所预测的工作电压为0.54 V。
Abstract
zhi zi jiao huan mo ran liao dian chi （PEMFCs）zuo wei yi chong tong guo qing qi he yang qi fan ying sheng cheng shui jin er jiang hua xue neng zhuai hua cheng dian neng de zhuang zhi ,yin ji ju you ling wu ran ju dian neng zhuai huan xiao lv gao deng you dian er bei an fan guan zhu 。ran er yin ji huan man de yang hai yuan fan ying （Oxygen Reduction Reaction,ORR）yan chong zhi yao le PEMFCsde fa zhan 。qi jin wei zhi ,jin shu bo （Pt）ji ji ge jin reng ran shi gong ren de zui hao de PEMFCsyin ji cui hua ji 。dan yin ji shou ming duan 、cheng ben gao 、chu liang di ju rong yi bei COyang hua deng que dian yi zhi bu neng shi xian shang ye hua ying yong 。yin ci ,xun zhao neng qu dai Ptji ji ge jin de ORRcui hua ji shi fa zhan PEMFCsde chong yao huan jie 。jin ji nian de yan jiu fa xian za yuan zi can za you ji shi jin shu he dan yuan zi gong can za tan cai liao ju you jiao hao de ORRcui hua xing neng ju cheng ben di 、wen ding xing gao ,xi yin le zhong duo ke yan gong zuo zhe de mu guang 。ben wen ji yu mi du fan han li lun ,tong guo ji suan xing cheng neng 、dian he fen bu 、guo du tai he zi you neng deng fang fa ,ji tong yan jiu le ji chong bu tong jin shu he dan yuan zi gong can za shuang kong wei dan mo xi de ORRdian cui hua huo xing ,bing dui cui hua fan ying ji zhi jin hang le shen ru tan tao 。ben wen zhu yao yan jiu nei rong ru xia :1、yi （Ir）he dan yuan zi （N）gong can za shuang kong wei dan mo xi cui hua ji 。zhen dui IrN4gong can za shuang kong wei dan mo xi zhan kai ORRfan ying ji li he zi you neng bian hua yan jiu 。cong dian he zhuai yi he cha fen dian he mi du fen xi de chu IrN4he ta xiang lin de shi ge tan yuan zi （C）gou cheng le cui hua huo xing wei dian 。yan jiu jie guo biao ming ,O2zai ci cui hua ji biao mian wei hua xue xi fu 。sui hou ,zai ORRji li yan jiu zhong fa xian huo hua de O2fen zi ke yi tong guo san tiao ORRjing zheng fan ying lu jing wan cheng 4e-fan ying guo cheng ju zui zhong sheng cheng liang fen zi H2O。ji zhong dong li xue zui you lu jing shi O2fen zi qing hua cheng OOH,OOHqing hua cheng 2OHde guo cheng 。zhe ge lu jing de jue su bu zhou shi OOHqing hua cheng 2OH。cong zi you neng qu xian tu zhong ke yi kan chu ,mei yi bu de ji yuan fan ying de ji bu si zi you neng dou shi fu zhi ,zhe shui ming ORRzai gai cui hua ji biao mian shi yi ge zi fa fang re de guo cheng 。jie ge wai dian shi de ying xiang ,suo yu ce gai cui hua ji de gong zuo dian ya shi 0.41 V。2、tie （Fe）bu lin cui hua ji 。tie （Fe）bu lin cui hua ji de cui hua huo xing wei dian shi FeN4yi ji yu zhi xiang lin de ba ge Cyuan zi 。fan ying ji li yan jiu biao ming gai cui hua ji de dong li xue zui you fan ying lu jing shi O2fen zi qing hua xing cheng OOH,ran hou OOHqing hua xing cheng O+H2Ode guo cheng 。dong li xue jue su bu zhou shi O2qing hua cheng OOHde guo cheng ,fan ying neng lei wei 0.09 eV。re li xue yan jiu biao ming ,tie （Fe）bu lin cui hua ji de gong zuo dian ya wei 0.52 V。3、yang gai xing de liao （Ru）he dan （N）gong can za shuang kong wei dan mo xi cui hua ji 。yan jiu fa xian jing guo yang gai xing de RuN4can za shuang kong wei dan mo xi bi RuN4can za shuang kong wei dan mo xi mo lun shi zai dong li xue shang hai shi re li xue dou ju you geng hao de ORRcui hua huo xing 。dui yu yang gai xing de RuN4can za shuang kong wei dan mo xi ,RuN4he ta xiang lin de ba ge Cyuan zi gou cheng le cui hua huo xing wei dian 。HOOHzai gai cui hua ji biao mian bu neng bao chi ji wen ding de hua xue jie gou ,yin ci ORRzai ci cui hua ji biao mian shi yi ge 4e-zhuai yi guo cheng 。guo du tai ji suan biao ming dong li xue zui you fan ying lu jing shi O2fen zi qing hua xing cheng OOH,ran hou OOHqing hua xing cheng O+H2Ode guo cheng ,jue su bu zhou wei Oyuan zi qing hua cheng OH。tong guo ji suan bu tong dian ji dian shi xia de ORRzi you neng bian hua suo yu ce de gong zuo dian ya wei 0.54 V。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自内蒙古工业大学的刘士则，发表于刊物内蒙古工业大学2019-10-18论文，是一篇关于质子交换膜燃料电池论文,氧还原反应论文,密度泛函理论论文,掺杂石墨烯论文,内蒙古工业大学2019-10-18论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自内蒙古工业大学2019-10-18论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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