高效氧還原反應(yīng)電催化劑的構(gòu)建及性能的理論研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重、傳統(tǒng)化石燃料日益消耗，開發(fā)清潔、高效、可持續(xù)的能源成為當(dāng)今科學(xué)家的一個(gè)重要研究課題。燃料電池因?yàn)槠鋬?yōu)異的性質(zhì)及廣泛的應(yīng)用前景受到世界各國(guó)研究者廣泛的關(guān)注。雖然燃料電池有著很好的性質(zhì)，但是現(xiàn)階段它在實(shí)際應(yīng)用中的普及率并不高，這主要是因?yàn)樵谄潢帢O發(fā)生的氧還原反應(yīng)的速率比較慢，需要提供大量的Pt等貴金屬做催化劑加快其陰極反應(yīng)速率。然而，Pt等貴金屬價(jià)格高，穩(wěn)定性差，這給使用大量Pt金屬做催化劑造成困難。所以尋找高效、

2、廉價(jià)、穩(wěn)定的氧還原反應(yīng)(ORR)電催化劑是大規(guī)模應(yīng)用燃料電池或金屬空氣電池所面臨的主要挑戰(zhàn)。
　　在本文中，利用密度泛函理論，研究了兩種不同的二維納米材料的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、催化性能，具體結(jié)果如下:
　　(1)系統(tǒng)地研究了實(shí)驗(yàn)合成的二維M-TCNQ納米材料(M=Mn、Fe、Co;TCNQ=四氰二甲基苯醌)作為氧還原反應(yīng)催化劑的潛能。我們的研究結(jié)果顯示O2可以穩(wěn)定的以化學(xué)吸附吸附在M-TCNQ納米片上，從而有效激活O2分子中

3、的O-O鍵，激活后的O2分子通過一個(gè)4電子過程被還原為H2O分子或OH-。令人感興趣的是，通過對(duì)所選取的Mn、Fe、Co三種TNCQ基催化劑催化性能的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Fe-TCNQ單層納米材料在酸性和堿性介質(zhì)都具有最高的催化活性。此外，發(fā)現(xiàn)采用鹵族自由基對(duì)M-TNCQ中M位進(jìn)行五配位，可以進(jìn)一步提高其電催化性能。因此，M-TCNQ納米材料，尤其是Fe-TCNQ材料可以用來替代Pt基催化劑催化ORR的發(fā)生。
　　(2)在這個(gè)工作中，系統(tǒng)的

4、探討了有機(jī)大環(huán)分子Co(acac)2在氮摻雜石墨烯材料表面的負(fù)載及其對(duì)ORR電催化潛能。計(jì)算表明，Co(acac)2與氮摻雜石墨烯的相互作用形成一個(gè)穩(wěn)定的Co-O4-N復(fù)合物，從而有效的穩(wěn)定了有機(jī)大環(huán)分子Co(acac)2，確保了該復(fù)合材料的高穩(wěn)定性。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)O2分子可以化學(xué)吸附在該復(fù)合材料上，因而促使O-O鍵被有效激活。隨后的氧還原步驟以更有效4電子過程進(jìn)行，該過程的過電勢(shì)為0.67eV。因而，Co(acac)2與氮摻雜石墨烯材料的