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《武汉大学》 2010年
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密度泛函理论计算在电催化反应以及电催化剂设计中的应用

欧利辉  
【摘要】:发展低贵金属含量、高催化活性和高稳定性的氧还原反应(ORR)催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为规模化实用技术的关键。催化剂的合理设计依赖于对反应机理的深入认识。由于“电极/电解液”界面难以实现超低温与超高真空等条件,因而直接从实验上获得电化学条件下氧还原反应的分子水平信息非常困难。同时,单纯依赖实验技术的“合成—测试”这一传统催化剂筛选模式不仅效率低,而且成本高。建立在以密度泛函理论(DFT)为主的量子化学方法和高性能计算技术基础上的现代计算化学则为分子水平的电催化研究带来契机。基于此,本论文利用DFT计算对Pt电极表面的ORR机理进行了深入研究,在此基础上建立了基于DFT计算设计筛选ORR催化剂的判据,并对贵金属Pt、Pd与元素周期表中各种过渡金属形成的合金的热力学、化学及电子性质进行了详细计算,从而确定有应用前景的ORR催化剂。另外,鉴于CO2的化学转化在解决当前能源和环境问题方面的重要性,我们对CO2的化学与电化学还原过程进行了初步研究。本论文的主要内容和结果总结如下: 1.Pt(111)表面ORR机理的DFT计算研究 利用基于平面波的DFT几何结构优化、电子结构分析和最小能量路径计算等方法研究了氧气分子在Pt表面的吸附和解离、以及解离产物进一步质子化形成H20的过程,结果表明: (1)ORR中形成了两种类型的分子态化学吸附中间体:质子化的端位(end-on)吸附物OOH*和非质子化的桥式(t-b-t)吸附物OO*。其中端位OOH*中间体为亚稳态,可以在几乎无需活化的情况下经过去质子化过程形成更稳定的桥式吸附态OO*或解离成原子吸附态。也就是说,O2分子的化学吸附过程经历了一个先质子化再去质子化的过程。 (2)在水合质子存在时,02分子的化学吸附是一个强放热过程,其释放的能力足以克服随后的解离过程所需的活化能垒。因此,02分子的解离过程无需外部能量输入。无论是在高覆盖度还是低覆盖度的表面,整个四电子ORR过程的决速步骤是吸附O原子质子化形成OH吸附物的过程。这修正了早期关于ORR决速步骤是OOH*的形成的认识,并解释了为什么氧原子吸附能可以作为ORR催化剂理论设计的依据。 2.基于DFT计算的ORR合金催化剂设计 提出以合金形成能、贵金属表面偏析能和氧原子吸附能作为描述符设计低贵金属含量、高活性和高稳定性ORR合金催化剂的思路。利用DFT计算对Pt.Pd与各种过渡金属形成的合金的热力学、表面化学和电子性质进行了系统研究,在此基础上预测Pt3V、Pt3Fe、Pt3Co、Pt3Ni、Pt3Cu、Pt3Zn、Pt3Mo和Pt3W等Pt基合金,以及Pd3V,Pd3Fe,Pd3Zn,Pd3Nb和Pd3Ta等Pd基合金具有好的ORR催化活性和稳定性。部分结果已有文献报道或经过本实验室的实验验证。 对引起合金ORR催化活性增强的原因进行了探讨,分析了各种合金中晶格收缩效应和配体效应对表面贵金属原子的电子性质的影响。结果表明,晶格收缩使得d-band中心(εd)下移,而配体效应即可以导致d-band中心下移,也可以导致d-band中心的上移。例如,晶格为面心立方且d电子数为10的过渡金属的配体效应会使Pt的εd上移,而晶格为六方晶系且d电子数为10的过渡金属的配体效应则使Pt的劬下移,d电子数小于10的过渡金属的配体效应在大多数情况下使Pt的εd下移。 3.CO2在Cu表面还原为碳氢化合物的DFT计算研究 通过DFT反应能计算和最小能量路径分析研究了气相中C02在Cu(111)和Cu(100)单晶表面的还原过程。结果表明在Cu(111)表面C02还原的可能反应路径为:C02(g)+H*→COOH*→(CO+OH)*、(CO+H)*→CHO*、CHO+H→CH2O*←(CH2+O)*、CH2*+2H*→CH4或2CH2*→C2H4,整个反应由CO2(g)+H*→COOH*→(CO+OH)*,(CO+H)*→CHO*和CH2O*→(CH2+O)术这几个反应步骤共同控制;Cu(100)表面的可能反应路径为:C02(g)→(CO+O)*,(CO+H)*→CHO*,CHO+H→CH2O*→(CH2+O)*,2CH2*→C2H4,整个反应由(CO+H)*→CHO*步骤控制。 计算了不同电极电势下C02电化学还原各步骤的反应能。结果表明在-0.50V(Vs RHE)以正的电势下Cu(111)和Cu(100)表面主要形成HCOO和CO吸附物。随着电势逐渐变负,C02加氢解离形成CO的反应越来越容易,CO成为主要产物。随电势进一步变负,CO的后续加氢反应逐渐变为强放热反应,因而形成碳氢化合物的趋势变强。与CO2的化学还原不同的是,电化学环境下CO质子化形成的CHO中间体倾向于解离形成CH,而在气相中,CHO中间体则倾向于进一步质子化形成CH20中间体。无论在气相中还是电化学环境下,Cu(100)表面更有利于C2H4产物的形成。这与实验的观察结果一致。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O643.36

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