燃料电池催化剂——结构设计与作用机制电子书

前言

第1章 绪论

1.1 当前国内外能源状况

1.2 燃料电池的分类及特点

1.3 燃料电池的发展壁垒

参考文献

第2章 氧还原电催化剂的结构与催化机制

2.1 概述

2.2 催化机制的理论研究方法

2.2.1 密度泛函理论

2.2.2 第一性原理分子动力学方法

2.3 氧还原催化机理

2.4 金属催化剂催化的氧还原机理

2.4.1 纯铂

2.4.2 铂基合金

2.4.3 非铂基金属

2.5 非贵金属催化剂催化的氧还原机理

2.5.1 过渡金属大环类化合物

2.5.2 金属氧化物、氮化物、硫化物

2.5.3 导电聚合物复合催化剂

2.5.4 碳基材料

2.6 小结

参考文献

第3章 密度泛函理论在氧还原反应研究中的应用

3.1 概述

3.2 评估氧还原催化活性的方法

3.2.1 中间体的吸附能

3.2.2 反应势能曲线

3.2.3 由线性吉布斯能量关系计算可逆电势

3.2.4 反应能垒

3.2.5 催化剂电子结构

3.3 评估氧还原稳定性的方法

3.3.1 金属溶解电势

3.3.2 金属共聚能

3.3.3 活性中心的金属结合能

3.4 GGA不同泛函的计算精确度

3.4.1 孤立的氧还原物种的键长

3.4.2 孤立的氧还原物种的键解离能

3.4.3 氧还原物种在催化剂表面的吸附能

3.4.4 反应过程分析

3.5 小结

参考文献

第4章 过渡金属-氮-碳催化剂的结构与作用机制

4.1 概述

4.2 单核钴（铁）酞菁与双核钴（铁）酞菁

4.2.1 在酸溶液中的稳定性

4.2.2 吸附与催化机制

4.2.3 电子结构分析

4.3 钴—聚吡咯催化剂

4.3.1 钴—聚吡咯的结构稳定性

4.3.2 钴—聚吡咯的催化过程分析

4.3.3 钴—聚吡咯的尺寸效应

4.3.4 协同效应

4.4 Fe（Co）Nₓ（x=1～4）内嵌石墨烯催化剂

4.4.1 结构与稳定性评估

4.4.2 氧分子的吸附

4.4.3 反应过程分析

4.5 FeN₄内嵌碳纳米管催化剂的尺寸效应

4.5.1 结构与稳定性评估

4.5.2 氧还原物种的吸附

4.5.3 基元反应的相对能量

4.5.4 电子结构效应

4.6 类FeNₓ的催化位点：FeSₓ结构

4.6.1 结构筛选

4.6.2 氧气分子的吸附行为分析

4.6.3 氧还原反应路径分析

4.6.4 抗中毒能力分析

4.7 金属效应与配体效应

4.7.1 金属中心及配体结构

4.7.2 吸附情况分析

4.7.3 HOMO-LUMO能隙分析

4.8 小结

参考文献

第5章 二维碳材料的结构与作用机制

5.1 概述

5.2 金属直接掺杂石墨烯的催化机制

5.2.1 结构与稳定性评估

5.2.2 吸附关系分析

5.2.3 反应过程及限速步骤分析

5.3 氮-氧共掺杂石墨烯的催化机制

5.3.1 掺杂位置与形成能

5.3.2 氧还原物种吸附情况比较

5.3.3 催化反应能量与能垒

5.3.4 氧还原活性起源

5.4 硼、氮掺杂的α-和γ-石墨炔的催化机制

5.4.1 硼掺杂的α-石墨炔

5.4.2 氮掺杂的α-石墨炔

5.4.3 硼、氮共掺杂的α-石墨炔

5.4.4 硼、氮分别掺杂的γ-石墨炔

5.5 小结

参考文献

第6章 富勒烯与其他笼形材料的结构与作用机制

6.1 概述

6.2 氮掺杂富勒烯的催化机制

6.2.1 稳定性与电荷分布

6.2.2 氧还原中间体的线性吸附关系

6.2.3 相对能量图

6.3 内嵌金属富勒烯的催化机制

6.3.1 Feₙ@C₆₀（n=1～7）的结构和电子性质

6.3.2 通过吸附性能预测活性

6.3.3 抗中毒能力

6.4 富勒烯表面掺杂金属的催化机制

6.4.1 结构与稳定性

6.4.2 吸附强度比较

6.4.3 吉布斯自由能

6.4.4 线性关系与过电势

6.5 硼氮纳米笼与硅碳纳米笼

6.5.1 硼氮纳米笼的催化机制

6.5.2 硅碳纳米笼的催化机制

6.6 小结

参考文献

第7章 金属有机骨架催化剂的结构与作用机制

7.1 概述

7.2 Ni₃（HITP）₂：一种新的催化位点导致的高氧还原活性

7.2.1 Ni₃（HITP）₂片层材料的结构与性质

7.2.2 含氧物种在Ni₃（HITP）₂的吸附

7.2.3 ORR机理及活性位点分析

7.3 X₃（HITP）₂的结构与催化机制

7.3.1 催化活性位点的选择及含氧物种的吸附

7.3.2 氧还原路径

7.3.3 含氧物种的吸附能线性关系与活性限速步

7.3.4 相对稳定性与抗中毒能力

7.4 不同配体对MOF材料氧还原催化性能的影响

7.4.1 材料模型构建与性质

7.4.2 配体效应

7.4.3 不同活性位点的相对能量变化

7.5 小结

参考文献

第8章 氮化碳的结构与作用机制

8.1 概述

8.2 非金属原子掺杂g-C₃N₄的ORR活性

8.2.1 催化活性位点的选择及氧气的吸附

8.2.2 能带结构和偏态密度分析

8.3 过渡金属原子掺杂g-C3N4的催化机制

8.3.1 结构与稳定性

8.3.2 氧还原中间产物的吸附

8.3.3 氧还原路径及相对能量变化

8.4 小结

参考文献

第9章 载体增强作用

9.1 概述

9.2 石墨烯负载的Au纳米团簇与O₂分子相互作用

9.2.1 Auₙ团簇在N掺杂的石墨烯上的吸附性质

9.2.2 O₂在N掺杂石墨烯负载Auₙ团簇上的吸附性质

9.2.3 Auₙ团簇结构稳定性的改变

9.3 氧气在缺陷石墨烯负载的铂纳米粒上的吸附

9.3.1 Pt₁₃纳米粒子与缺陷石墨烯之间的相互作用

9.3.2 氧气在Pt₁₃₋缺陷石墨烯上的吸附作用

9.4 载体

9.5 小结

参考文献

第10章 结论与展望