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MXene基催化剂的电催化性能的第一性原理研究

王硕  
【摘要】:由于过去几十年催化技术的进步,在理解材料表面化学性能方面已经取得了巨大的变化。如今,人们可以基于电子结构的理论知识,通过计算机引导的材料表面和材料的化学性质有选择性地设计催化剂,然后合成具有高性能的用于特定反应的实际材料。十多年来,石墨烯和其他层状材料的成功合成促进了研究者们对二维(2D)材料的研究,这归因于它们独特的电化学和光学性质。过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)是一种2D无机化合物,是由几个原子层的过渡金属碳化物,氮化物或碳氮化物组成的材料。Ti_3C_2是第一个合成的2D层状MXene,于2011年被剥离出来。这种材料是一种类似于石墨烯的层状材料,来自其3D Ti_3AlC_2 MAX相。从那时起,材料科学家们根据各种过渡金属(如Ti,Mo,V,Cr及其与C和N的化合物)的组合,确定和预测了4200种不同MXenes的稳定相。大量的实验和理论研究表明它们具有优异的能量转换和电化学储能潜力。本文的目的是通过对MXene基材料的表面改性及对无端基MXene基材料的电子性能分析以期获得高导电性、高活性及高稳定性的电催化剂,用于实现电催化分解水制氢以及电催化氮还原反应中能量的高效转化。本论文的主要研究工作如下:(1)采用第一性原理方法分析了MXene材料中的Ti_2CO_2的2×2×1超胞的结构及其电子性质,我们发现原始超胞结构具有较大的平均吉布斯自由能(ΔG_H~a)及接近于1.00 eV的带隙,这限制了其导电性及吸附氢质子的能力,不利于水中氢的还原。随后我们通过在上层表面的端基O上掺杂一定比例的P/S原子,可以显著缩小带隙到低于0.30 eV。局域电荷分析表明掺杂后O上的电子分布由原来的O 2p_x变为O 2p_z,因此有利于其与H 1S轨道键合,增强了两者的成键强度,降低ΔG_H~a。掺杂后的Ti 3d轨道能量向费米能级移动有助于减小带隙,提高导电性。表面层的O或P空位不但改善了ΔG_H~a也有利于水的分解(水的解离能垒低于0.20 eV)。椅型纳米带的研究证明了掺杂后的边缘效应对析氢性能也有很大得改善作用。这一研究工作充分证明了对MXene材料的表面改性可以有效改善HER催化剂的活性及导电性,促进其在能源转化及电催化领域的潜在应用。(2)采用DFT-D3方法首次研究了分子式为M_2C\M_2N(M=Sc,Ti,V,Cr and Mn)无端基过渡金属碳氮化物的MXenes基NRR电催化性能,并预测了Fe和Mn的碳氮化物。我们的研究结果表明Mn_2C和Fe_2C具有相对较低的反应能垒,分别为0.28、0.23 eV。通过Bader电荷、差分电荷及LDOS的分析,发现这三者的电荷转移较少,性质相对较稳定,因此具有更好的NRR催化性能。研究显示有三种不同路径可以进行NH_3的脱附,使最高脱附能垒在0.30到0.60 eV范围内,说明NH_3的脱附较容易。因此,通过控制反应途径并降低氢化能垒,未来有望合成的无端基Mn_2C及Fe_2C是非常有前景的电催化氨合成催化剂。


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