NbC(001)表面負載的9～11族金屬單原子及單原子層催化劑的模擬與設計.pdf

1、lIIIllIIIIIIIIIllIlllY3437391、河南衙蕁乏失學碩士學位論文NbC(001)表面負載的9”11族金屬單原子及單原子層催促捌的模擬與設計學科、專豎：研究方向：串請學位類別：申請人：指導教師：物理學、凝聚態(tài)物理表面與界面物理理學碩士闞東曉楊宗獻教授二。一八年五月摘要當前，環(huán)境污染和能源危機等問題日益嚴峻，對社會發(fā)展和人類的生活產(chǎn)生了極大影響，因此尋找低成本、無污染、可持續(xù)發(fā)展的新型能源迫在眉睫。質子交換膜燃料電池(

2、PEMFCs)[因其高發(fā)電效率和低污染排放而備受矚目，被認為是未來便攜能源站和交通工具中潛在的能源裝置。傳統(tǒng)的PEMFCs催化劑是Pt／C型納米催化劑(即金屬Pt負載于碳黑表面)，但這類催化劑存在碳黑易在電化學環(huán)境中被腐蝕及表面金屬Pt的化學穩(wěn)定性較弱且價格昂貴等不足，因而尋找價格低廉、化學穩(wěn)定性和催化活性高的“代催化劑”是解決生產(chǎn)實際問題的關鍵。使用過渡金屬碳化物作為襯底材料負載金屬單原子及單原子層催化劑的設計方案，有望替代傳統(tǒng)催化劑

3、，并解決PEMFCs催化劑中的存在的問題。本文以碳化鈮(NbC)為研究對象，采用了第一性原理和密度泛函理論方法，選取其最穩(wěn)定的非極化的(001)表面為催化劑基底，先后負載了9～11族金屬單原子及金屬單原子層催化劑，并通過不同的篩選標準，擬挑選最優(yōu)催化劑。同時以Pt(111)為參考，對比了NbC(00I)催化劑、NbC(00I)表面負載的R和Pd單層催化劑對氧還原反應(ORR)矛O氫氧化反應(HOR)的催化活性，從而篩選出適宜的雙效催化劑

4、。上述研究對設計高效廉價的納米催化劑提供了一定的理論價值，對緩解能源危機和環(huán)境污染等問題具有現(xiàn)實意義。主要研究內容及相關結果如下：(1)研究了9～11族金屬(Co，Rh，IrNiPdPtCuAgAu)單原子在NbC(001)表面的吸附性質、電子結構及催化活性，并將此類單原子催化劑表示為M／NbC(001)。通過分析金屬原子相對于費米能級的d帶中心位置和分子前線軌道理論發(fā)現(xiàn)，Co，Rh，Ir，Ni在NbC(001)表面比其他貴金屬單原子催

5、化劑的活性更高。研究表明，不同單原子催化劑的活性差異與M／nbC(000的功函數(shù)和電負性有關。同時測試了Co，Rh，Ir，Ni在NbC(001)表面的抗氧化性和抗團聚性，結果表明，四種金屬單原子催化劑均具有良好的抗團聚性能，但Co和Ni在NbC(001)表面的抗氧化性較弱，Rh／NbC(00D和Ir／NbC(00D具有抗氧化性。為進一步驗證Rh／NbC(001)和Ir／NbC(001)的催化性能，我們計算了氧分子在其表面的吸附與活化反應