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《广西科技大学》 2014年
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甲酸在Pt-M/C(M=Sn,Mn)阳极材料表面吸附的第一性原理研究

唐法威  
【摘要】:直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有高效节能、绿色环保、商业化潜力巨大的特点,是一种重要的新能源技术。在DFAFC阳极材料中,铂基材料具有较高的催化活性而备受关注,同时甲酸的催化氧化机理也一直是该领域的研究热点。本文紧密围绕DFAFC研究领域的关键问题,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算分析了DFAFC的碳负载铂系阳极催化材料Pt(111)/C、Pt-Sn(111)/C、Pt-Mn(111)/C和Pt-Sn-Mn(111)/C表面的微结构特点和甲酸、CO、H2O等在其上的吸附解离机理。从理论层面探讨甲酸在铂系材料表面的电催化机理、抗CO中毒机理和不同掺杂情况下的催化材料改性机制,通过第一性原理模拟计算来探索材料性能优化,可为阳极催化材料的研发提供理论依据和支撑。主要研究内容和结果如下: 本文首先研究了甲酸在Pt(111)/C表面的吸附行为,建立了相关周期平板模型,结合DFT计算对HCOOH、H2O、CO等在Pt(111)/C表面4类位点下的吸附模型进行构型优化和能量计算,并对吸附前后的吸附能、频率、电荷、态密度等进行研究。结果表明,Pt(111)/C对甲酸的吸附为弱吸附作用,其中最大吸附能位点为fcc-Pt3位点,其值为46.5kJ·mol1。CO最大吸附能为155.9kJ·mol1,说明纯铂催化材料抗CO中毒能力较弱,易导致电极电催化活性衰减。 本文采用GGA-PW91算法对掺Sn材料Pt-Sn(111)/C微结构和甲酸在其表面的吸附解离机理进行了研究。结果表明,Sn原子掺杂后,8类位点下的甲酸吸附能均显著增大,其中fcc-Pt3为最优吸附位点,其值为86.8kJ·mol1。掺杂后费米能级右移,导带宽化,价带和导带位置略降低。CO在Pt-Sn(111)/C表面的吸附能以两种趋势下降,其中有Sn原子直接参与作用的吸附位点吸附能下降最为明显,其值只有掺杂前的1/2。掺Sn后体系的抗CO中毒机理主要表现为直接减弱CO吸附能机理。 本文采用GGA-PW91算法对Pt-Mn(111)/C微结构和甲酸在其表面的吸附解离机理进行了研究。结果表明,甲酸在8个位点的吸附能均明显增大,其中bridge-PtMn和hcp-Pt2Mn为最优吸附位点,其值分别为119.9kJ·mol1和117.2kJ·mol1。甲酸在Pt-Mn(111)/C表面的吸附能增加趋势分为两类,其中有Mn原子直接参与作用的位点增加最为明显,其值是掺杂前的3倍左右。Mn掺杂后d带中心与费米能级距离缩短,价带和导带离域性增强。掺Mn之后CO吸附能下降较少,与Pt-Sn(111)/C吸附体系存在明显差异。H2O在掺Mn体系中吸附能明显增大,其中以含Mn位点的增加最为明显,极易生成OH(ads)。掺杂Mn后的抗CO中毒能力增强,且推测其过程为双功能机理。 本文采用GGA-PW91算法对Pt-Sn-Mn(111)/C微结构及其表面甲酸催化机理进行了研究。结果表明,Sn、Mn原子双掺杂后,甲酸在5个位点的吸附能均明显增大,其中hcp-PtSnMn、fcc-PtSnMn、top-Mn为较优吸附位点,其值分别为118.2kJ·mol1、115.3kJ·mol1和112.1kJ·mol1。甲酸在Pt-Sn-Mn(111)/C表面的吸附能增加较大的位点主要为含Mn位点。掺杂后d带中心与费米能级距离缩短,相比Pt-Mn(111)/C表面其表现出更明显的d带中心距离变化。5类位点下的CO的吸附能表现出两类下降趋势。其中含Sn位点有较明显的下降,另一组则下降不明显。分析结果表明双掺杂体系表面同时存在含Sn位点影响下的CO吸附能削弱机理和含Mn位点影响下的双功能机理。 本文通过对DFAFC阳极材料Pt-M/C(M=Sn, Mn)体系的理论研究,提出了Sn、Mn等元素的改性特点和作用机理,理论计算所反映的材料改性成功,可为DFAFC阳极催化材料设计和研发提供理论参考。
【学位授予单位】:广西科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O647.31;TM911.4

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1 唐法威;甲酸在Pt-M/C(M=Sn,Mn)阳极材料表面吸附的第一性原理研究[D];广西科技大学;2014年
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