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)的催化機理和催化性能，分析了可能的氧還原反應(yīng)機理，計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，獲得了體系的動力學(xué)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)。
張靜，太原科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師， 山西煤炭化學(xué)研究所博士，物理化學(xué)專業(yè)。主要從事燃料電池能量轉(zhuǎn)化，催化機理，小原子、分子在固體表面的吸附與解離，理論計算化學(xué)等領(lǐng)域的研究。在Journal of Materials Chemistry A.，Journal of Power Sources，Journal of The Electrochemical Society，Journal of Molecular Modeling，Surface and Interface Analysis，結(jié)構(gòu)化學(xué)，化學(xué)學(xué)報等 外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文20余篇。
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17
第2章理論基礎(chǔ)與計算方法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計算參數(shù)和公式45
2.4.1計算參數(shù)45
2.4.2計算公式46
參考文獻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電極電勢對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74
第4章FeN2-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究79
4.1計算參數(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)對吸附性質(zhì)的影響85
4.3ORR催化機理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電極電勢對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99
第5章FeN3-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究102
5.1計算參數(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動力學(xué)分析114
5.4.2熱力學(xué)分析115
5.5外電場對H2O分子吸附的影響116
5.5.1計算方法與模型117
5.5.2H2O分子的吸附118
5.5.3外電場對結(jié)構(gòu)的影響119
5.5.4外電場對吸附能和吸附高度的影響125
5.5.5外電場對吸附體系的影響126
5.6FeNx-G的ORR性能比較127
參考文獻131
第6章CoNx-G（x=2+2,4）結(jié)構(gòu)催化劑性能研究134
6.1計算參數(shù)及模型135
6.2CoN2+2-G催化劑的ORR機理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)機理142
6.2.6吉布斯自由能變化142
6.3CoN4-G催化劑的ORR機理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151
第7章CoN2-G結(jié)構(gòu)催化劑性能研究153
7.1計算參數(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178
第8章氮雜石墨烯催化劑性能研究180
8.1計算模型及參數(shù)181
8.2ORR催化機理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189
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