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

1、lIIIllIIIIIIIIIllIlllY3437391、河南衙蕁乏失學(xué)碩士學(xué)位論文NbC(001)表面負(fù)載的9”11族金屬單原子及單原子層催促捌的模擬與設(shè)計(jì)學(xué)科、專豎：研究方向：串請(qǐng)學(xué)位類別：申請(qǐng)人：指導(dǎo)教師：物理學(xué)、凝聚態(tài)物理表面與界面物理理學(xué)碩士闞東曉楊宗獻(xiàn)教授二。一八年五月摘要當(dāng)前，環(huán)境污染和能源危機(jī)等問題日益嚴(yán)峻，對(duì)社會(huì)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(zhì)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(rèn)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(fù)載于碳黑表面)，但這類催化劑存在碳黑易在電化學(xué)環(huán)境中被腐蝕及表面金屬Pt的化學(xué)穩(wěn)定性較弱且價(jià)格昂貴等不足，因而尋找價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性和催化活性高的“代催化劑”是解決生產(chǎn)實(shí)際問題的關(guān)鍵。使用過渡金屬碳化物作為襯底材料負(fù)載金屬單原子及單原子層催化劑的設(shè)計(jì)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(duì)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，擬挑選最優(yōu)催化劑。同時(shí)以Pt(111)為參考，對(duì)比了NbC(00I)催化劑、NbC(00I)表面負(fù)載的R和Pd單層催化劑對(duì)氧還原反應(yīng)(ORR)矛O氫氧化反應(yīng)(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(duì)設(shè)計(jì)高效廉價(jià)的納米催化劑提供了一定的理論價(jià)值，對(duì)緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題具有現(xiàn)實(shí)意義。主要研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)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(zhì)、電子結(jié)構(gòu)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(duì)于費(fèi)米能級(jí)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(fù)性有關(guān)。同時(shí)測試了Co，Rh，Ir，Ni在NbC(001)表面的抗氧化性和抗團(tuán)聚性，結(jié)果表明，四種金屬單原子催化劑均具有良好的抗團(tuán)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(jìn)一步驗(yàn)證Rh／NbC(001)和Ir／NbC(001)的催化性能，我們計(jì)算了氧分子在其表面的吸附與活化反應(yīng)