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甲醇氧化催化剂的量子化学研究

李兰兰  
【摘要】: 目前,一些燃料电池已经存在商业化的可能性。燃料电池技术正逐渐应用于广泛的技术领域。直接甲醇燃料电池(DMFC)是电动汽车(EV)最有保障的电源。然而,由于用于直接甲醇燃料电池的铂催化剂价格昂贵、还存在催化剂的中毒失效以及其他的一些技术问题,使得直接甲醇燃料电池一直未能商业化 本文采用模型化学的方法,利用量子化学从头计算(ab-initio)和密度泛函理论(DFT),研究了铂电极对甲醇电化学氧化的催化机理以及催化剂的表面结构和表面性质对催化活性的影响。 对甲醇在催化剂表面不同距离的结构进行了构型优化,对优化后的结构作Mulliken布居数以及体系能量等分析,我们初步获得了在铂表面甲醇电化学氧化的机理。当甲醇化学吸附在铂表面上时,形成的强Pt-H键促使了甲醇上H原子的脱落。由于表面原子排布及表面电子结构的不同,在不同的晶面上产生不同的吸附形式,因而存在不同的反应中间体。 甲醇在铂电极表面的脱氢生成CO强烈吸附在铂电极表面,阻碍了甲醇在铂表面的化学吸附,导致催化剂中毒。在铂电极表面加入修饰原子Ru、Sn、Cr和Mo有利于能氧化CO的含氧物种OHads的吸附。对含氧物种OHads在Pt原子和修饰原子上的吸附进行了构型优化、体系能量和成键轨道分析,这些原子上,OHads与金属原子上形成化学吸附。吸附在Pt、Ru、Mo上的OHads对COads的氧化有明显的作用;吸附在Sn和Cr上的OHads氧化活性很大程度地依赖于电极电势。也就是说,只有在相对高的电位下,吸附在Sn和Cr上的OHads才能发生氧化作用。 另外,在不同的铂单晶面上,毒性中间体CO的吸附强度也是不同的。CO在铂表面的吸附形成σ-π键,强烈地吸附在催化剂表。在Pt[110]表面,由于反馈π键较强,中毒程度也最深。通过在不同晶面上,CO吸附在晶面上的成键轨道分析、Mulliken布居数分析可以得到:在铂各单晶面上,中毒程度是按以下顺序递减的Pt[110]Pt[100] Pt[111]。


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