質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種傳統(tǒng)能源的替代型新能源,具有高效率、高能量密度和環(huán)境友好型等一系列優(yōu)點,因而成為最有發(fā)展前途的一款電池。發(fā)展低貴金屬含量、高活性和高穩(wěn)定性的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑是PEMFC成為商業(yè)化實用技術(shù)的關(guān)鍵。然而合理的催化劑設(shè)計依據(jù)對反應(yīng)機理的深刻認(rèn)識,基于此,以密度泛函理論（DFT）為主的第一性原理和高性能計算技術(shù)基礎(chǔ)上的現(xiàn)代計算化學(xué)則為反應(yīng)機理的研究帶來了契機。本文利用DFT研究了ORR在純Pt（111）、Pt₃Sn（111）、Pt_ML/P_ML/Pt（111）表面上的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì),明確了反應(yīng)機理。同時也分析了Pt_ML/（SnP）_2ML/Pt（111）和Pt _ML/（PSn）_2ML/Pt（111）的活性和穩(wěn)定性,從而在理論方面確定了有應(yīng)用前景的ORR催化劑。因此,本文主要研究了以下幾方面內(nèi)容:首先,利用DFT方法及周期性平板模型詳細(xì)研究了ORR在Pt（111）和Pt₃S... 

【文章來源】：華南理工大學(xué)廣東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：103 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

燃料電池的工作原理

最高活性的 ORR 單金屬催化劑，理解鉑電極表面的催化反應(yīng)機理對設(shè)計 PEMFC 催化劑有著非常重要的意義[10]。此外，科學(xué)工作者也在致力于研發(fā)各種低 Pt 含量和非 Pt 含量的催化劑。但對實驗者而言，如何從微觀的原子尺度去解釋反應(yīng)機理已然成為了難題基于第一性原理的量子力學(xué)理論方法則給出了最好的答案。隨著量子力學(xué)新理論方法提出、完善及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，理論計算研究變得越來越成熟。隨著量子力學(xué)新理論提出、完善及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，理論計算研究變得越來越成熟。理論計算不同于實驗方法，它可以幫助我們識別在實驗上不易觀察到的現(xiàn)象，能有效地預(yù)測吸附、解離和擴散等過程，也可以系統(tǒng)的探究基元反應(yīng)。Kattel[11]等人以就從原子的角度研究了氧還原反應(yīng)的機理：氧氣(O2)在電化學(xué)表面的化學(xué)吸附是 ORR 反應(yīng)的起始步驟，以生成 H2O 分子的基元反應(yīng)為結(jié)束步驟。隨后的氧還原反應(yīng)機理步驟可總結(jié)為 3 條可能的反應(yīng)路徑發(fā)生解離和吸附。其中，以 O O 鍵的斷裂方式劃分為：(a)路徑是 O2解離機理；(b)路徑為 OOH 解離機理；(c)路徑為 H2O2解離機理。具體的機理分析如下圖所示：

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文*O 的過渡態(tài)順利進(jìn)行。Calle[6]等研究了周期表中 7 9 主族元素和 4 個氮原子摻雜的石墨烯催化劑(GrM)對氧還原反應(yīng) ORR 和 OER 活性位的影響。利用 DACAPO 軟件計算發(fā)現(xiàn)，非金屬催化劑上的吸附行為并不是固定不變的，它隨著活性位、氧化態(tài)的局部幾何的變化而變化。結(jié)果表明，穩(wěn)定的*OOH 和*OH 吸附能提高其催化性能，ORR 和 OER的催化趨勢與以前文獻(xiàn)研究的氧化物的催化趨勢是很相近的。Kattel[45]等使用 DFT 計算了 ORR 中間體在 Fe–N4和 Fe–N2上的自由能，如圖 1 3 所示：


本文編號：2900740