發(fā)布時間：2025-05-11 05:25

　　自從2004年石墨烯成功合成以來,各種二維材料（2D）在物理、化學和材料科學等領(lǐng)域獲得廣泛的應用�；诟鞣N二維材料獨特的電子結(jié)構(gòu)以及作為催化劑底物構(gòu)建的單、雙原子催化劑,也已經(jīng)成為電催化領(lǐng)域研究的熱點。然而,設(shè)計高活性和選擇性、低成本的電催化劑仍然面臨巨大的挑戰(zhàn),密度泛函理論（DFT）計算因可以簡化計算體系,而成為電催化材料設(shè)計及其機理探索的一個重要研究手段。本文主要選取過渡金屬碳化物、碳氮化物（MXenes）以及六方氮化硼（BN）的二維材料及其構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)作為研究對象,采用密度泛函理論作為研究方法,研究了過渡金屬碳氮化合物上的析氫反應（HER）,基于過渡金屬碳化物的單原子催化劑上的氮氣電催化還原反應（NRR）,以及BN單層雙原子催化劑的二氧化碳電催化還原反應（CO₂RR）,并詳細地分析了它們的電催化反應機制。（1）基于過渡金屬碳氮化合物的析氫反應研究通過密度泛函理論（DFT）計算模擬,系統(tǒng)地研究了過渡金屬碳氮化物的純表面及功能化表面的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、以及H原子在其表面吸附自由能變化（ΔG_H）和電荷轉(zhuǎn)移。計算結(jié)果表明,純表面的該類MXenes（M<...

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 二維材料簡介
        1.2.1 過渡金屬碳/氮/碳氮化合物
        1.2.2 六方氮化硼(h-BN)
    1.3 析氫反應(HER)簡介
        1.3.1 HER反應機理
        1.3.2 HER電催化劑
    1.4 CO₂的電化學還原簡介
        1.4.1 CO₂電催化還原機理
        1.4.2 CO₂電催化劑
    1.5 N₂的電化學還原簡介
        1.5.1 N₂電催化還原機理
        1.5.2 N₂電催化還原劑
    1.6 本文的主要研究內(nèi)容
第2章 模型方法與軟件
    2.1 Hartree-Fock(HF)方程推導
        2.1.1 薛定諤方程
        2.1.2 Born-Oppenheimer近似
        2.1.3 Hartree-Fock方程
    2.2 密度泛函理論
        2.2.1 Hohenberg-Kohn(HK)定理
        2.2.2 Kohn-Sham(KS)定理
        2.2.3 交換關(guān)聯(lián)泛函
        2.2.4 贗勢
    2.3 計算軟件
    2.4 電催化材料的催化性能計算
第3章 基于金屬碳氮化合物(MXenes)的析氫反應研究
    3.1 引言
    3.2 計算方法
    3.3 結(jié)果和討論
        3.3.1 過渡金屬碳氮化物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和導電性分析
        3.3.2 過渡金屬碳氮化物的HER機制
        3.3.3 表面O和 OH混合比例對HER活性影響
        3.3.4 表面吸附單金屬原子對Ti₃CNO₂的HER活性調(diào)控研究
    3.4 本章小結(jié)
第4章 表面負載單原子的MXenes(M₂CO₂,M=Ti,Mo)電催化N₂還原的研究
    4.1 引言
    4.2 計算方法
    4.3 結(jié)果和討論
        4.3.1 基于MXenes的單原子催化劑的結(jié)構(gòu)特征
        4.3.2 單原子催化劑上N₂和H的吸附行為研究
        4.3.3 N₂在SACs上的電還原反應機制
        4.3.4 單原子催化劑對NRR和 HER的選擇性
        4.3.5 基于MXenes的 SACs電催化性能評價
    4.4 本章小結(jié)
第5章 過渡金屬二聚體負載在BN單層電催化CO₂還原性能的研究
    5.1 引言
    5.2 計算方法
    5.3 結(jié)果和討論
        5.3.1 基于BN單層的雙原子電催化劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和導電性分析
        5.3.2 CO₂在TM₂@BN上的電催化還原機制
        5.3.3 CO₂在CuTM@BN上的電催化還原機制
        5.3.4 基于BN單層的CO₂RR催化劑評價
    5.4 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 進一步工作的方向
致謝
參考文獻
攻讀學位期間的研究成果



本文編號：4044911