燃料電池催化劑：結構設計與作用機制

第1章緒論/001
1.1當前國內外能源狀況001
1.2燃料電池的分類及特點002
1.3燃料電池的發(fā)展壁壘003
參考文獻004

第2章氧還原電催化劑的結構與催化機制/005
2.1概述005
2.2催化機制的理論研究方法006
2.2.1密度泛函理論006
2.2.2第一性原理分子動力學方法010
2.3氧還原催化機理012
2.4金屬催化劑催化的氧還原機理016
2.4.1純鉑016
2.4.2鉑基合金020
2.4.3非鉑基金屬022
2.5非貴金屬催化劑催化的氧還原機理024
2.5.1過渡金屬大環(huán)類化合物025
2.5.2金屬氧化物、氮化物、硫化物027
2.5.3導電聚合物復合催化劑029
2.5.4碳基材料030
2.6小結032
參考文獻033

第3章密度泛函理論在氧還原反應研究中的應用/048
3.1概述048
3.2評估氧還原催化活性的方法049
3.2.1中間體的吸附能049
3.2.2反應勢能曲線050
3.2.3由線性吉布斯能量關系計算可逆電勢052
3.2.4反應能壘053
3.2.5催化劑電子結構054
3.3評估氧還原穩(wěn)定性的方法056
3.3.1金屬溶解電勢056
3.3.2金屬共聚能058
3.3.3活性中心的金屬結合能058
3.4GGA不同泛函的計算精確度058
3.4.1孤立的氧還原物種的鍵長059
3.4.2孤立的氧還原物種的鍵解離能060
3.4.3氧還原物種在催化劑表面的吸附能061
3.4.4反應過程分析064
3.5小結065
參考文獻065

第4章過渡金屬-氮-碳催化劑的結構與作用機制/072
4.1概述072
4.2單核鈷（鐵）酞菁與雙核鈷（鐵）酞菁073
4.2.1在酸溶液中的穩(wěn)定性073
4.2.2吸附與催化機制074
4.2.3電子結構分析075
4.3鈷—聚吡咯催化劑076
4.3.1鈷—聚吡咯的結構穩(wěn)定性077
4.3.2鈷—聚吡咯的催化過程分析077
4.3.3鈷—聚吡咯的尺寸效應080
4.3.4協(xié)同效應081
4.4Fe(Co)Nx（x=1～4）內嵌石墨烯催化劑084
4.4.1結構與穩(wěn)定性評估084
4.4.2氧分子的吸附085
4.4.3反應過程分析087
4.5FeN4內嵌碳納米管催化劑的尺寸效應091
4.5.1結構與穩(wěn)定性評估092
4.5.2氧還原物種的吸附094
4.5.3基元反應的相對能量096
4.5.4電子結構效應097
4.6類FeNx的催化位點：FeSx結構098
4.6.1結構篩選098
4.6.2氧氣分子的吸附行為分析099
4.6.3氧還原反應路徑分析100
4.6.4抗中毒能力分析102
4.7金屬效應與配體效應103
4.7.1金屬中心及配體結構103
4.7.2吸附情況分析104
4.7.3HOMO-LUMO能隙分析105
4.8小結106
參考文獻106

第5章二維碳材料的結構與作用機制/113
5.1概述113
5.2金屬直接摻雜石墨烯的催化機制113
5.2.1結構與穩(wěn)定性評估114
5.2.2吸附關系分析116
5.2.3反應過程及限速步驟分析118
5.3氮-氧共摻雜石墨烯的催化機制119
5.3.1摻雜位置與形成能120
5.3.2氧還原物種吸附情況比較120
5.3.3催化反應能量與能壘122
5.3.4氧還原活性起源124
5.4硼、氮摻雜的α-和γ-石墨炔的催化機制125
5.4.1硼摻雜的α-石墨炔126
5.4.2氮摻雜的α-石墨炔127
5.4.3硼、氮共摻雜的α-石墨炔127
5.4.4硼、氮分別摻雜的γ-石墨炔128
5.5小結129
參考文獻129

第6章富勒烯與其他籠形材料的結構與作用機制/133
6.1概述133
6.2氮摻雜富勒烯的催化機制134
6.2.1穩(wěn)定性與電荷分布134
6.2.2氧還原中間體的線性吸附關系136
6.2.3相對能量圖138
6.3內嵌金屬富勒烯的催化機制140
6.3.1Fen@C60（n=1～7）的結構和電子性質140
6.3.2通過吸附性能預測活性142
6.3.3抗中毒能力145
6.4富勒烯表面摻雜金屬的催化機制146
6.4.1結構與穩(wěn)定性147
6.4.2吸附強度比較147
6.4.3吉布斯自由能148
6.4.4線性關系與過電勢152
6.5硼氮納米籠與硅碳納米籠152
6.5.1硼氮納米籠的催化機制153
6.5.2硅碳納米籠的催化機制157
6.6小結161
參考文獻161

第7章金屬有機骨架催化劑的結構與作用機制/168
7.1概述168
7.2Ni3(HITP)2：一種新的催化位點導致的高氧還原活性169
7.2.1Ni3(HITP)2片層材料的結構與性質169
7.2.2含氧物種在Ni3(HITP)2的吸附171
7.2.3ORR機理及活性位點分析172
7.3X3(HITP)2的結構與催化機制174
7.3.1催化活性位點的選擇及含氧物種的吸附174
7.3.2氧還原路徑177
7.3.3含氧物種的吸附能線性關系與活性限速步180
7.3.4相對穩(wěn)定性與抗中毒能力181
7.4不同配體對MOF材料氧還原催化性能的影響183
7.4.1材料模型構建與性質184
7.4.2配體效應185
7.4.3不同活性位點的相對能量變化188
7.5小結190
參考文獻191

第8章氮化碳的結構與作用機制/197
8.1概述197
8.2非金屬原子摻雜g-C3N4的ORR活性197
8.2.1催化活性位點的選擇及氧氣的吸附198
8.2.2能帶結構和偏態(tài)密度分析200
8.3過渡金屬原子摻雜g-C3N4的催化機制203
8.3.1結構與穩(wěn)定性203
8.3.2氧還原中間產(chǎn)物的吸附203
8.3.3氧還原路徑及相對能量變化205
8.4小結208
參考文獻208

第9章載體增強作用/213
9.1概述213
9.2石墨烯負載的Au納米團簇與O2分子相互作用213
9.2.1Aun團簇在N摻雜的石墨烯上的吸附性質214
9.2.2O2在N摻雜石墨烯負載Aun團簇上的吸附性質215
9.2.3Aun團簇結構穩(wěn)定性的改變219
9.3氧氣在缺陷石墨烯負載的鉑納米粒上的吸附220
9.3.1Pt13納米粒子與缺陷石墨烯之間的相互作用220
9.3.2氧氣在Pt13-缺陷石墨烯上的吸附作用222
9.4載體225
9.5小結228
參考文獻228

第10章結論與展望/235