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Pt基催化剂的氧还原活性的第一性原理研究

作　者: 王金龙
导　师: 杨宗献
学　校: 河南师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: O2 吸附扩散解离 DFT 稳定性
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

燃料电池的广泛应用将会导致新一代绿色能源革命。在燃料电池大家庭中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）是非常具备潜力的一种。通常商业化PEMFC的电极催化剂使用的是Pt担载在碳黑上的Pt/C催化剂。O₂在阴极催化剂上的氧气还原反应（ORR）是影响PEMFC性能的主要反应。而O₂在催化剂表面上的解离又是ORR的关键反应。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理模拟计算能够很好的解释和研究电极催化反应机制。本文采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波（projector augmented wave）赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,用第一性原理方法,系统地研究了O₂分子在纯Pt（111）催化剂表面和Pt-skin/Pt₃Ni（111）合金催化剂表面吸附、扩散和解离,还研究了金属Pt原子在NbO₂（110）表面的吸附和扩散。研究得到有意义的结果如下:1,O₂的t-h-b吸附构型很容易转化成t-b-t吸附,解释了实验中观察不到t-h-b吸附构型的原因。得到O₂在Pt（111）表面的解离过程,发现两种解离途径对O₂覆盖度的不同依赖关系。2,Pt₃Ni（111）表面能够减弱O、OH等对催化剂的毒化,从而提高了对氧气还原反应的催化活性。O₂在Pt₃Ni合金（111）表面的解离活化能太大以至于O₂不可能直接解离。至少是在Pt基合金体系中,氧气的还原反应第一步不会是O₂的解离而是先形成OOH。3,用NbO₂担载Pt提高了氧气还原反应的催化活性也是由于Pt/NbO₂能够减弱中间含氧物种O、OH等对催化剂的毒化。Pt能够被锚定在NbO₂（110）表面从而提高了抗Pt溶解的化学稳定性。以上研究结果现有理论结果和实验现象进行了合理的解释,对新型催化剂的制备具有很强的指导意义。

Pt基催化剂的氧还原活性的第一性原理研究

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