若干石墨烯基材料催化性能的理論研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展，化石能源消耗巨大，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日漸突出，清潔能源轉(zhuǎn)換裝置是解決相關(guān)問題的有效方法。燃料電池就是一種具有能源使用率高又不污染環(huán)境的能量轉(zhuǎn)化裝置。傳統(tǒng)燃料電池陰極使用的Pt基催化劑，由于其昂貴的價格、低豐度、低耐久度以及CO中毒等問題，阻礙了其商業(yè)化的快速發(fā)展。相關(guān)實驗和理論研究發(fā)現(xiàn)，非金屬摻雜的石墨烯材料可以做為替代Pt基催化劑的潛在的新型電極催化劑。
　　該文使用基于包含色散矯正的密度泛函理論(DF

2、T-D)的第一性原理方法探索了硫摻雜石墨烯(SGv)上的氧還原反應(yīng)(ORR)機(jī)理，以及硅和磷雙摻雜石墨烯(Si-P-G)的直接合成過氧化氫(DSHP)的反應(yīng)機(jī)理，主要研究工作及結(jié)果如下:
　　1.通過基于包含色散矯正的密度泛函理論研究了SGv上的氧還原反應(yīng)機(jī)理，并且給出了其動力學(xué)和熱力學(xué)過程的全部細(xì)節(jié)。計算結(jié)果說明，SGv相當(dāng)穩(wěn)定，而且S摻雜劑做為潛在的活性中心。根據(jù)動力學(xué)過程分析，這里有兩種ORR可能的路徑:OOH解離過程和OO

3、H加氫過程，對應(yīng)的限速步分別為0.75 eV和0.62 eV。ORR過程的吉布斯自由能表明HOOH加氫是最佳路徑，甚至在0.86 V的高電勢下也可以進(jìn)行。DFT-D計算表明SGv是催化ORR過程的高效催化劑。
　　2.通過基于含色散矯正的密度泛函理論研究了Si-P-G上的氧還原反應(yīng)機(jī)理。最穩(wěn)定的Si-P-G構(gòu)型中，摻雜劑區(qū)域?qū)ξ胶瓦€原氧分子扮演了重要的角色。根據(jù)動力學(xué)和熱力學(xué)分析，二電子路徑是DSHP的還原過程。O2加氫形成OO