本書以氮雜碳納米材料催化燃料電池陰極氧還原反應(yīng)為主線，主要采用量子化學(xué)密度泛函理論計(jì)算方法，構(gòu)建了含不同過渡金屬、不同類型氮、不同氮配位數(shù)的氮雜石墨烯模型，在電子－分子水平上研究了各種結(jié)構(gòu)催化劑氧還原反應(yīng)的催化機(jī)理和催化性能，分析了可能的氧還原反應(yīng)機(jī)理，計(jì)算了中間涉及的所有可能的基元反應(yīng)的反應(yīng)能和活化能，通過比較活化能得到一條能量最低反應(yīng)通道，并找到該通道的決速步驟等，獲得了體系的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)。
第1章緒論1
1.1燃料電池2
1.1.1陰極氧還原反應(yīng)3
1.1.2陰極氧還原反應(yīng)催化劑4
1.2氮雜碳納米材料催化劑性能研究7
1.2.1主要性能7
1.2.2主要研究方法9
1.2.3主要應(yīng)用及趨勢(shì)分析12
1.2.4相關(guān)政策及導(dǎo)向14
1.3.圖書框架結(jié)構(gòu)及撰寫目的16
1.3.1框架結(jié)構(gòu)16
1.3.2內(nèi)容特色16
1.3.3撰寫目的17
參考文獻(xiàn)17
第2章理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法30
2.1概況31
2.1.1Born-Oppenheimer近似32
2.1.2電子問題3
22.2理論基礎(chǔ)33
2.2.1Thomas-Fermi模型34
2.2.2Hohenberg-Kohn（HK）定理34
2.2.3Kohn-Sham方程35
2.2.4交換相關(guān)泛函37
2.2.5基組41
2.3計(jì)算方法43
2.3.1使用基組44
2.3.2自旋極化44
2.3.3過渡態(tài)搜索45
2.4計(jì)算參數(shù)和公式45
2.4.1計(jì)算參數(shù)45
2.4.2計(jì)算公式46
參考文獻(xiàn)48
第3章FeNx-G(x=2+2,4)結(jié)構(gòu)催化劑性能研究52
3.1計(jì)算模型及參數(shù)54
3.2催化劑的形成能和結(jié)合能55
3.3FeN2+2-G催化劑的ORR催化機(jī)理55
3.3.1O2在FeN2+2-G表面上的吸附55
3.3.2O2分子的解離及OOH的形成57
3.3.3OOH（ads）的解離與還原58
3.3.4O（ads）和OH（ads）的還原60
3.3.5ORR催化路徑61
3.4FeN4-G催化劑的ORR催化機(jī)理64
3.4.1O2的吸附和解離65
3.4.2OOH的形成67
3.4.3OOH（ads）的還原67
3.4.4電極電勢(shì)對(duì)ORR的影響71
3.4.5ORR催化路徑72
3.5FeNx-G（x=2+2,4）結(jié)構(gòu)催化劑ORR催化性能73
參考文獻(xiàn)74
第4章FeN2-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究79
4.1計(jì)算參數(shù)及模型80
4.2中間體的吸附82
4.2.1氧分子的吸附82
4.2.2H2O2分子的吸附與解離84
4.2.3其他中間體的吸附85
4.2.4結(jié)構(gòu)對(duì)吸附性質(zhì)的影響85
4.3ORR催化機(jī)理88
4.3.1O2（ads）的解離和還原88
4.3.2OOH的解離和還原90
4.3.3O（ads）和OH（ads）的還原92
4.3.4ORR催化路徑94
4.3.5電極電勢(shì)對(duì)ORR的影響95
4.4FeN2-G結(jié)構(gòu)催化劑ORR催化性能98
參考文獻(xiàn)99
第5章FeN3-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究102
5.1計(jì)算參數(shù)及模型103
5.2中間體的吸附104
5.2.1氧分子的吸附105
5.2.2水分子的吸附107
5.2.3OOH的吸附107
5.2.4H2O2的吸附107
5.3ORR催化機(jī)理109
5.3.1O2（ads）的解離109
5.3.2OOH的形成111
5.3.3OOH的解離112
5.3.4OOH（ads）的還原113
5.3.5O和OH的還原11
35.4ORR路徑114
5.4.1動(dòng)力學(xué)分析114
5.4.2熱力學(xué)分析115
5.5外電場(chǎng)對(duì)H2O分子吸附的影響116
5.5.1計(jì)算方法與模型117
5.5.2H2O分子的吸附118
5.5.3外電場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響119
5.5.4外電場(chǎng)對(duì)吸附能和吸附高度的影響125
5.5.5外電場(chǎng)對(duì)吸附體系的影響126
5.6FeNx-G的ORR性能比較127
參考文獻(xiàn)131
第6章CoNx-G（x=2+2,4）結(jié)構(gòu)催化劑性能研究134
6.1計(jì)算參數(shù)及模型135
6.2CoN2+2-G催化劑的ORR機(jī)理136
6.2.1中間體在表面上的吸附136
6.2.2O2的解離和OOH的形成138
6.2.3四電子反應(yīng)路徑139
6.2.4二電子反應(yīng)路徑141
6.2.5氧還原反應(yīng)機(jī)理142
6.2.6吉布斯自由能變化142
6.3CoN4-G催化劑的ORR機(jī)理143
6.3.1中間體在表面上的吸附143
6.3.2O2的解離和OOH的形成146
6.3.3四電子反應(yīng)路徑147
6.3.4二電子反應(yīng)路徑148
6.3.5氧還原反應(yīng)機(jī)理149
6.3.6吉布斯自由能變化149
6.4ORR催化性能150
參考文獻(xiàn)151
第7章CoN2-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究153
7.1計(jì)算參數(shù)及模型154
7.2中間體的吸附156
7.2.1O2的吸附156
7.2.2H2O2的吸附158
7.3ORR反應(yīng)160
7.3.1O2（ads）的解離及OOH的形成160
7.3.2OOH（ads）的還原162
7.3.3H2O2（ads）的生成163
7.3.4O（ads）和OH（ads）的還原166
7.4電位對(duì)ORR的影響169
7.5CoN2-G的ORR催化性能比較174
7.6MNx-G的ORR催化性能比較176
參考文獻(xiàn)178
第8章氮雜石墨烯催化劑性能研究180
8.1計(jì)算模型及參數(shù)181
8.2ORR催化機(jī)理182
8.2.1O2在氮雜石墨烯上的吸附182
8.2.2O2的解離和OOH的生成183
8.2.3二電子還原路徑184
8.2.4四電子還原路徑186
8.3ORR催化性能189
參考文獻(xiàn)189
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