基于石墨烯的高效氧還原電催化性能的理論研究.pdf

1、自石墨烯2004年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨(dú)特的單原子層結(jié)構(gòu),良好的導(dǎo)電性和巨大的比表面積，已經(jīng)被作為非均相催化劑的載體并引起了科學(xué)家們極大的興趣。隨著石墨烯的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硼氮石墨烯與石墨烯的結(jié)構(gòu)相似,且具有與石墨烯不同的獨(dú)特性質(zhì)及廣泛的應(yīng)用，因此人們的視線也逐漸轉(zhuǎn)移到了六角硼氮石墨烯上。最近，計(jì)算模擬方法日趨完善，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷增強(qiáng)，因而，其可以用于解釋低維納米結(jié)構(gòu)材料的各種現(xiàn)象，還可以解決在實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。
　　在本論文

2、中，我們利用密度泛函理論，對(duì)金屬摻雜二維材料進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、催化性能等方面的理論研究，為其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。具體結(jié)果如下：
　　(1)Fe摻雜硼氮石墨烯作為新型ORR電催化劑的構(gòu)建及催化性能的評(píng)估。結(jié)果表明，F(xiàn)e原子可以與缺陷硼氮石墨烯強(qiáng)烈的結(jié)合，確保了它的穩(wěn)定性。Fe摻雜硼氮石墨烯可以有效的活化O2分子，這是ORR發(fā)生的前提。隨后，活化的O2分子可以通過一個(gè)4e過程轉(zhuǎn)化為H2O分子。其中，每一步基元反應(yīng)的吉

3、布斯自由能都是負(fù)值，說明反應(yīng)是自發(fā)的。因而，F(xiàn)e摻雜硼氮石墨烯基具有優(yōu)異的催化性能，可以作為Pt的替代物，成為ORR的催化劑。
　　(2)M-P-C（M= Fe,Co）結(jié)構(gòu)作為ORR催化劑的構(gòu)建。計(jì)算結(jié)果表明Fe-和Co-P4結(jié)構(gòu)嵌入石墨烯具有很好的穩(wěn)定性和較高的化學(xué)活性，且吸附的O2分子在其表面被激活，從而有利于后續(xù)ORR步驟的進(jìn)行以及在酸性和堿性介質(zhì)中4e-途徑的進(jìn)行。此外，通過分析自由能譜發(fā)現(xiàn)，在堿性介質(zhì)中進(jìn)行的ORR催化，