一、Pt/C及Pt-Fe/C系列氧电催化还原材料的量子化学研究（论文文献综述）
王美秋[1]（2021）在《二氧化锆碳基复合材料制备及其氧还原性能》文中研究指明金属-空气电池具有成本低、毒性小、资源丰富、比能量密度高等优点,是未来电池发展的重要方向。但金属-空气电池的发展仍然面临氧还原动力学反应缓慢、可逆性差、持久性差等障碍,因此提高催化剂的高效性能是金属-空气电池跨进实际应用的“利器”。本论文以碳基锆化物为研究对象,研究碳基锆化物组成、电子结构对氧还原反应机理及电化学性能的影响,主要开展的工作如下:（1）ZrO2/NC催化剂性能实验与理论研究;（2）Fe对ZrO2/NC催化剂性能影响的研究。具体研究内容如下:（1）溶胶凝胶法合成了单斜的ZrO2/NC催化剂。利用表面活性剂CTAB与金属离子间静电自组装形成基本的构筑单元封装氮原子和金属离子,获得多孔、高氮、高锆含量的催化剂。测试结果表明,设计Zr Cl4与CTAB的量为1:3时,测得ZrO2/NC催化剂在0.1 M KOH溶液中半波电势(E1/2=0.815 V),与商业化Pt/C的半波电位一致。BET为787.3 m2/g。由于形成O-Zr-N结构增强了ZrO2/NC催化剂的导电性和稳定性,经1000圈的老化试验显示ZrO2/NC催化剂半波电位下降25 m V,较Pt/C催化剂(ΔE1/2=-33m V)少8 m V。经理论计算表明,ZrO2/NC催化剂的稳定性主要来自于Zr-p轨道与N-p轨道的杂化作用,降低了成键轨道能量。这为ZrO2成为新型的氧还原催化剂提供了新的设计思路。（2）溶胶凝胶法制备了单斜的FeZrO2/NC催化剂。采用Fe、Zr盐类共同参与自组装过程,成功制备了FeZr共存的凝胶结构,这种反应前驱体通过进一步的热解得到FeZrO2/NC催化剂。稳定性测试结果表明FeZrO2/NC催化剂经1000圈CV扫描后,半波电位仅下降11 m V,稳定性明显提高,掺杂的Fe与Zr间存在着较强协同作用是增加其稳定性的关键。这为通过结构、性能的调整来调控金属氧化物电子结构,提升合金锆基催化剂提供了一种简单的新方法。
薛真洪[2]（2021）在《金属有机框架衍生合金的制备、表征及其析氢性能研究》文中认为析氢反应（Hydrogen evolution reaction,HER）是电化学水分解制氢的关键反应,其中阴极催化剂是提高制氢效率的核心。铂（Pt）阴极催化剂具有优异的催化析氢性能,是至今最理想的HER催化剂。然而,Pt资源匮乏导致其成本高昂,并且在碱性催化环境稳定性较差,阻碍了电化学水解制氢的工业化进程。因此开发低成本、高效、催化稳定的HER催化剂是当前亟待解决的课题。金属有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）由于其超高孔隙率（约90%自由体积）和表面积,被认为是当前最有发展前景的析氢催化剂之一。目前金属有机框架催化剂的研究面临两个相互关联的科学问题:1.纯金属有机框架在苛刻反应条件下化学和热的不稳定性;2.由于有机配体的固有绝缘性能而导致较差的电子电导率以及有机配体的p轨道与金属离子的d轨道之间重叠性较弱,从而阻碍了MOFs对电化学的快速响应。在MOFs表面封装金属纳米颗粒（Metal nanoparticles,MNP）,不但可以提高MOFs的电子导电率,而且MNP与MOFs构成的协同效应有利于催化剂的HER性能。因此,本文围绕设计合成金属有机框架封装客体金属纳米颗粒衍生合金物（MOFs/MNP）,并研究其HER性能,开展了以下工作:（1）利用六水合氯化镍作为金属源,均苯三甲酸等作为有机配体合成一系列镍基金属有机框架（Ni-MOF）。通过SEM对样品进行了表征,合成的Ni-MOF具有不同形貌,如二维层状,六边状,纤维状和球状等。通过辰华CHI 760E电化学工作站对样品进行HER性能测试。结果表明形貌为球状Ni-MOF的催化具有最佳析氢性能,即在1.0 M KOH电解质中仅需559 m V的过电位即可达到10 m A/cm2,且塔菲尔斜率为121 m V/dec。（2）通过溶液浸渍法和湿化学还原法将氯化钯还原掺杂入球状Ni-MOF中,制备了Ni-MOF/Pd催化剂以提高球状Ni-MOF的电导率和催化稳定性。物理结构表征和电化学测试结果表明:Ni-MOF/Pd主要以Pd/Ni合金形式存在,且Pd和Ni之间存在电子转移可形成双金属协同效应。结果使Ni-MOF/Pd在过电位仅为50m V就能达到10 m A/cm2的电流密度,且其塔菲尔斜率为102 m V/dec。此外,催化剂在经历5000圈CV的加速退化实验后,其HER催化性能无明显退化。（3）借助表面活性剂功能化客体银离子,使客体银离子在原位还原时不仅让银纳米颗粒能够分布均匀,还将Ni-MOF核与Ag NPs壳层桥接紧密。对合成的Ni-MOF/Ag催化剂进行物理化学表征,得到Ni-MOF/Ag催化剂为核-壳结构,且存在大量的介、微孔。5%Ni-MOF/Ag催化剂在电流密度为10 m A/cm2时,其过电位为47 m V,塔菲尔斜率为85 m V/dec,且经历12小时的计时电流和计时电位稳定性测试后,催化剂依然能够保持优异的催化性能。此外,本实验还推广到了其他过渡金属基MOFs并对其进行物理化学表征,结果均显示,Ag NPs客体金属掺杂可大幅度提高MOFs的催化析氢性能。
李毅[3]（2020）在《掺杂石墨烯和低铂合金纳米材料的制备及电催化性能研究》文中研究指明燃料电池是一种能够将小分子燃料（如氢气和氨气）与氧化剂发生化学反应生成的化学能直接转化为电能的发电装置,它具有转化效率高、燃料来源广、清洁无污染等优点,是未来实现能源与环境可持续发展不可或缺的关键技术途径之一。低温氢燃料电池是目前研究最为广泛和成熟的一类燃料电池技术,而低温直接氨燃料电池由于氨成熟的生产、存储和运输产业链近年来也受到科研人员越来越多的关注。制约低温氢燃料电池的主要瓶颈在于缺乏高活性、低成本的阴极氧还原反应催化剂,而制约低温直接氨燃料电池的主要瓶颈在于缺乏能克服阳极缓慢氨氧化动力学的高性能氨氧化催化剂。贵金属纳米材料在能源催化领域一直扮演着举足轻重的角色,而石墨烯具有优异的物理化学性质和高导电性等优点,在能源存储与转换材料的制备与应用领域具有广阔的发展前景。本文主要研究掺杂石墨烯和低铂合金纳米材料的设计、制备以及在低温氢燃料电池阴极催化剂和低温直接氨燃料电池阳极催化剂上的应用。针对低温氢燃料电池催化剂的核心问题,本文旨在设计和合成性能优异的掺杂石墨烯新型催化剂,发展制备新型催化剂高效和高质量的新方法,实现杂原子在石墨烯载体中的高效可控掺杂,探索其合成机理,研究催化剂的微观结构和催化性能之间的联系,探讨氧还原催化机理。在低温直接氨燃料电池阳极催化剂方面,本文旨在开发低铂合金纳米粒子负载于氧化物-碳复合载体的新型低铂纳米催化剂,研究其电催化氨氧化性能,并结合理论计算探讨其催化机理,将优选催化剂用于直接氨燃料电池的组装和性能测试。具体研究内容如下:（1）采用热解水热过程中生成的三聚氰胺甲醛树脂实现石墨烯的造孔和N掺杂,其与S的共掺杂可使石墨烯中引入更多的缺陷和催化活性位点,提高材料的催化性能;详细考察了热解温度对N、S共掺杂三维石墨烯催化剂的形貌、结构、组分和缺陷程度的影响,研究催化剂结构与性能间的内在联系,其中,NS-3Dr GO-950催化剂具有最高的活性N含量（74.8%）和活性S含量（79.8%）,展现出良好的氧还原催化活性和稳定性,其在碱性介质中的氧还原半波电位为0.732 V,与商业Pt/C催化剂接近。（2）采用调控不同前驱体的方法实现了石墨烯的单元N掺杂、二元F、N掺杂和三元F、N、S掺杂,建立了催化剂电催化氧还原性能与其比表面积、活性N含量和活性F含量间的对应关系,并探讨了S掺杂对催化剂氧还原催化活性进一步增强的原因,研究表明:催化活性位点的本征活性和密度是影响催化剂活性高低最关键的因素,而缺陷程度和孔结构也为掺杂石墨烯催化活性的增强做出了贡献,其中,FN3SG催化剂的比表面积为115.5 m2 g–1,F、N和S的掺杂量分别为1.09 at.%、6.39 at.%和0.95 at.%,展现出最优的氧还原催化活性,其氧还原半波电位为0.803 V,与商业Pt/C催化剂相媲美。（3）蜂窝状三维石墨烯具有富缺陷和高初始比表面积的优点,文中以蜂窝状三维石墨烯为碳载体制备了含有Fe3O4纳米粒子的Fe、N、S三元掺杂三维石墨烯,通过调控N、S前驱体的投料比实现对掺杂石墨烯形貌、结构和组分的可控,Fe的掺入使催化剂中形成高活性的Fe Nx活性位点,丰富了催化剂活性位点的类型,其中,Fe3O4/Fe NSG-3催化剂的比表面积为530.5 m2 g–1,Fe、N和S的掺杂量分别为0.31 at.%、1.71 at.%和0.30 at.%,其氧还原半波电位为0.810 V,优于商业Pt/C催化剂。（4）通过在合成N、S共掺杂三维石墨烯的前驱体中引入钴源制备获得以Co9S8为核和掺杂石墨烯为壳的核壳结构催化剂,调控热处理温度实现了催化剂晶体结构、微观形貌、Co9S8纳米粒子的尺寸和分散性以及石墨烯中杂原子掺杂量的可控制备,Co9S8和掺杂石墨烯间特殊的核壳结构和协同效应使其氧还原性能得到增强;Co的引入使该催化剂还展现出良好的电催化析氧性能,其中,Co9S8@NS-3Dr GO-850催化剂的氧还原半波电位为0.826 V,而在10 m A cm–2电流密度下的析氧过电位为317 m V,在0.1 M KOH电解液中氧还原和析氧间的电位差约为0.90 V;将该催化剂作为空气阴极用于组装锌-空电池所得最大功率密度为83.5 m W cm–2,达到了与商业贵金属催化剂相同的水平。（5）采用超声辅助合成工艺制备了Pt Ir Ni三元合金纳米粒子负载于Si O2-CNT-COOH复合载体的新型催化剂,Si O2既提高了合成过程中对金属离子的吸附作用,又通过向其临近的Pt Ir Ni催化活性中心提供丰富的OHad基团促进催化剂电催化氨氧化性能的增强,CNT-COOH的引入使催化剂结构更加完整,导电性提高;与Pt Ir相比,催化剂中Ni与Pt-Ir的合金化降低了*NH2脱氢为*NH的热力学势垒,使群d轨道态密度的能量向上偏移,催化剂的氨氧化活性增强;文中研究了载体、材料组成、NH3浓度以及工作温度对催化剂氨氧化性能的影响,其中,Pt Ir Ni1/Si O2-CNT-COOH在80℃测试条件下的氨氧化起始电位为0.32 V,比室温降低了80 m V,而其峰值电流密度(1382.7 A g-1)是室温下的11倍左右,该催化剂的氨氧化反应活化能仅为50.0 k J mol–1,使催化剂成本大幅降低的同时提高了催化剂的氨氧化活性。（6）采用超声辅助合成工艺制备了Pt Ir Zn三元合金纳米粒子负载于Ce O2-ZIF-8热解碳复合载体的新型催化剂,在催化剂的合成中水和乙醇混合溶剂有利于载体和金属前驱体的分散,高比表面积(～600 m2 g–1)的ZIF-8热解碳和金属Zn2+提高了贵金属前驱体在复合载体表面的吸附和分散,强还原剂还原后的Pt Ir Zn纳米颗粒均匀地负载于复合载体且平均粒径为2.3±0.2 nm;Zn和Pt Ir的合金化可抑制催化剂的氢吸附而促进氨气分子的解离吸附,提高催化剂的氨氧化活性,其中,Pt Ir Zn2/Ce O2-ZIF-8的氨氧化反应活化能比商业Pt Ir/C催化剂低14.1 k J mol–1,证明其具有较高的本征活性,将该催化剂做为阳极材料用于直接氨燃料电池的组装所得最大功率密度为91 m W cm–2,但其由于电荷转移电阻大、质量传递低,电池性能低于商业Pt Ir/C;尽管如此,对我们制备的Pt Ir Zn2/Si O2-CNT-COOH催化剂进行电池组装得到了314 m W cm–2的最大功率密度,且优于Pt Ir/Si O2-CNT-COOH催化剂组装的电池性能,进一步表明Zn与Pt Ir合金化的重要意义。
汪晶晶[4]（2020）在《以豆渣为前驱体制备高性能金属空气电池阴极催化剂》文中认为能源匮乏与环境污染的问题日益严重,研究绿色高效的能源存储和转换装置成为世界各国亟需面对和解决的问题。燃料电池和金属空气电池是新型的电能存储器件,具有能量密度大、倍率性能优越等特点,在工业、运输业等领域得到广泛应用。氧还原反应（ORR）和电解水阳极的析氧反应（OER）可同时在燃料电池和金属空气电池中发挥关键作用,且均涉及4e-转移过程,该过程动力学速率缓慢,在实际工业生产中实现大规模应用遇到较大的阻碍。目前,ORR和OER商业催化剂主要是贵金属催化剂（Pt、Pd、Ru O2、Ir O2等）,价格高昂和储量稀少等因素限制了其在工业领域的广泛应用。因此,开发价格低廉和清洁高效的非贵金属催化剂显得尤为重要。本论文采用豆渣为前驱体,金属硝酸盐为金属源,围绕中国传统的点卤工艺,将金属粒子包裹在凝胶当中制成豆腐凝胶,经冷冻干燥后在高温下炭化,得到二维多孔碳纳米材料,并将其应用于燃料电池和金属空气电池的阴极催化,表现出优异的电催化活性。研究表明,氮掺杂多孔碳纳米材料的良好性能主要取决于以下两个方面:首先,豆渣这类生物质碳材料吸附金属粒子时,其表面的含氧官能团羟基（-OH）、羰基（-C=O）和羧基（-COOH）通过络合作用和氢键与金属相互作用,提高了生物质碳材料的亲水性能。其次,豆腐凝胶冻干过程中形成的多孔结构为电解质扩散提供了通道,加快了电子传输过程。本文主要研究内容包括:（1）设计并开发了一种将过渡金属嵌入碳纳米材料中,该纳米金属粒子作为造孔剂,制备二维多孔碳纳米片的方法。采用中国传统的点卤工艺制成的凝胶将金属粒子包裹在其中,可以有效地防止金属纳米粒子的团聚,Ni纳米粒子的嵌入既提高了碳材料的石墨化程度,还能作为造孔剂,将Ni纳米粒子刻蚀之后留下了更多的孔洞,增大了碳纳米材料的比表面积,促进电解液中物质的传输。研究发现,氮掺杂多孔碳纳米催化剂（Ni-N/C）在碱性介质中的半波电位与商业Pt/C仅相差40 m V。（2）设计并开发了一种采用凝胶法制备负载Ni Co的二维多孔碳纳米片的方法。锚定在二维多孔碳纳米片（Ni Co/N-C）上的Ni Co纳米颗粒作为的锌-空气电池双功能催化剂,其中Ni和Co巧妙地分别作为OER和ORR的活性中心,在电流密度为10m A cm-2时,Ni Co/N-C显现出比商业Ru O2催化剂更加优越的OER催化性能,同时,表现出与商业Pt/C催化剂相当的ORR催化性能,是极具潜力的锌-空气电池阴极催化剂。（3）设计并开发了一种制备N,P共掺杂过渡金属的二维多孔碳纳米材料的方法,先以硝酸钴为金属源制备钴掺杂碳纳米材料,再以次磷酸钠为磷源,引入P元素,在350 oC下还原得到负载Co P粒子的多孔碳材料。研究显示,与商业Ru O2相比,Co P@N-C表现出更加优越的OER活性,是极具潜力的电解水催化剂。
杨维结[5]（2019）在《碳基单原子铁催化剂催化氧化燃煤烟气NO和Hg0的研究》文中研究表明我国的能源结构为富煤贫油少气,煤炭将长期占据能源消费的主导地位。燃煤是SO2、NOx和Hg0等污染物的主要人为排放源,这些污染物会导致雾霾、酸雨、光化学烟雾等环境问题。目前,多种污染物一体化脱除是燃煤电站污染物控制的发展方向,其中NO和H0的快速高效催化氧化是整个技术路线的关键环节。催化氧化NO和Hg0的催化活性低,S02和H20易导致催化剂中毒等问题制约了一体化脱除技术的发展。为解决这一技术难题,本文创新性地提出采用碳基单原子Fe催化剂对NO和Hg0进行催化氧化,借助单原子催化的高活性和高选择性,同时提高催化活性和抗中毒能力。本文围绕碳基单原子Fe催化剂催化氧化NO和Hg0的反应机理展开研究,通过密度泛函理论（DFT）计算和固定床催化实验研究,揭示了碳基单原子Fe催化剂催化氧化NO和Hg0反应中的反应路径,研究了反应条件对NO和Hg0氧化率的影响,讨论了燃煤烟气中砷和铅污染物对催化氧化NO和Hg0的影响,并研究了 132种碳基单原子催化剂的构效关系,提出了碳基单原子剂体系下氧原子吸附能的预测模型。研究工作证明了碳基单原子Fe催化剂用于催化氧化燃煤电站烟气中NO和Hg0的可行性,为解决当前催化剂催化活性低和易中毒的问题提供了新思路。首先,通过缺陷和氮掺杂构建了四种典型的碳基单原子Fe催化剂的理论模型,分别为单缺位（Fe/SV-GN）、单缺位掺杂三个氮原子（Fe/SV-N3）、双缺位（Fe/DV-GN）和双缺位掺杂四个氮原子（Fe/DV-N4）;通过对截断能和K点进行收敛性测试,确定适于当前体系的DFT计算参数;研究四种碳基单原子Fe催化剂的几何和电子结构,揭示了 Fe原子在单缺位和双缺位碳基载体上的作用机制;研究N2、02、CO、NO、HCl、CO2、N02、SO2、H2O、H2S、N2O、S03、NH3 等 13 种主要烟气组分在催化剂表面的吸附特性,讨论了四种催化剂对气体吸附的选择性,其中Fe/DV-N4催化剂对SO2和H20的吸附为弱物理吸附,具有一定的抗中毒潜力。然后,基于DFT计算研究了四种催化剂催化氧化NO和Hg0的反应机理。考虑烟气中O2和HC1两种氧化剂,根据Langmuir-Hinshelwood（L-H）、Eley-Rideal（E-R）和Termolecular Eley-Rideal（TER）三种反应机制,搜索催化氧化NO和Hg0的反应路径,明确了反应过渡态结构,分析反应决速步的能垒。理论计算表明:碳基单原子催化剂体系下,O2可作为催化氧化NO和Hg0的氧化剂,而HgCl和HgCl2倾向于以解离吸附形式吸附于催化剂表面,所以HC1不适合作为催化氧化Hg0的氧化剂;在催化氧化NO和Hg0的反应中,产物NO2和（HgO）2团簇的脱附过程是整个催化反应的决速步;四种催化剂中,Fe/DV-N4具有最高的催化活性,催化氧化NO和Hg0的反应决速步能垒分别为1.26 eV和2.34 eV,其主导反应机制均为E-R机制;考虑到Fe/DV-N4对SO2和H2O的吸附能力弱且对NO和Hg0催化活性高,选择Fe/DV-N4构型作为催化剂制备、表征和催化氧化实验的研究对象。随后,通过热解有机金属骨架材料制备了 FeSA-CN催化剂,并基于高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜和X射线吸收精细结构分析等先进表征,证明了所制备的FesA-CN催化剂的精细结构同理论筛选的Fe/DV-N4构型一致;基于固定床实验,研究了温度、反应物浓度、SO2和H2O等对NO和Hg0氧化率的影响。实验研究表明:FesA-CN在催化氧化NO和Hg0的反应中展现了高催化活性、抗中毒能力和良好的稳定性。在气体体积空速为3.4×105h-1,NO浓度为600ppm,O2浓度为6%,25℃的条件下,NO的氧化率为42%;在25～300℃的温度范围内,NO的氧化率随温度升高先增加后减小,在150℃达到峰值;反应物浓度对NO的氧化率具有明显的促进作用;SO2和H2O对催化氧化NO具有轻微的促进作用,HC1对催化氧化NO无明显影响。在气体体积空速8.5×105h-1,O2浓度为8%,Hg0浓度为120μg/m3,250℃的条件下,Hg0的氧化率可达100%;反应物浓度和温度对催化氧化Hg0均起促进作用;H2O对催化氧化Hg0具有轻微的促进作用,SO2无明显影响,HCl具有轻微的抑制作用。在60小时的稳定性测试中,NO和Hg0的氧化率基本维持不变。其次,基于DFT计算研究了烟气中砷和铅的气态污染物（As2O3、Pb0、PbO和PbC12）在四种催化剂表面的吸附特性,并分析了砷和铅的气态污染物对催化氧化NO和Hg0的影响。研究表明:在27～727℃（300～1000 K）的温度范围内,Fe/DV-N4 对 As2O3、Pb0、PbO、PbC12和 O2的吸附强弱顺序为Pb0>O2>PbO>PbCl2>As2O3,Pb0对催化氧化 NO 和 Hg0 起抑制作用,而 As2O3、PbO和PbCl2不会抑制催化氧化NO和Hg0。四种催化剂中,Fe/SV-N3对As2O3、Pb0、PbO和PbC12的吸附作用最强,均为稳定的化学吸附;考虑到Fe/SV-N3对Hg0、HgCl、HgCl2、As2O3、Pb0、PbO和PbCl2等污染物的强吸附作用和较宽泛的温度窗口,Fe/SV-N3可作为同时脱除燃煤电站烟气中汞、砷和铅污染物的新型吸附剂材料。最后,基于DFT计算系统地研究了 132种碳基单原子催化剂（11种碳基载体和12种金属）的几何和电子结构,根据金属原子同载体间的结合能和催化剂的形成能,绘制了碳基单原子催化剂的稳定性分布图,双缺位的碳基单原子催化剂比单缺位的碳基单原子催化剂具有更高的稳定性,掺杂氮原子可降低催化剂的形成能,利于催化剂的合成制备。基于气体分子同固体表面的成键机理,考虑轨道杂化和电荷转移的共同作用,提出了一种由d带中心（εd）和体系电负性（X）组成的氧原子吸附能预测模型（Eads=0.62X-0.21εd-8.44）,该模型对132种催化剂上的氧原子吸附能具有较好的预测能力,相关系数的平方为0.82,利用该模型可加快催化剂理性设计和材料搜索的速度,为进一步优化催化氧化NO和Hg0的催化剂性能提供理论基础。
高荣贞[6]（2019）在《碳载金属/金属氧化物复合材料的合成及电化学性能研究》文中指出近年来,金属及金属氧化物独特的结构和物理、化学特性,使其在催化剂、锂离子电池、电化学传感器和超级电容器等领域中的研究和应用愈来愈普遍。但是金属氧化物导电性较差,以及金属纳米材料易团聚的特点使其应用受到限制,特别是在电催化和锂电领域。碳纳米材料,尤其是多孔碳材料,具有优良的导电性和结构稳定性、高的比表面积、成本低、对环境友好、便于功能化修饰等优点。当碳纳米材料与金属/氧化物纳米粒子结合时,不但能增大活性材料的比表面积,增强其导电性,还可以作为活性纳米颗粒的基底并防止其团聚。因此,碳载金属及金属氧化物复合材料在电化学领域有极大的发展潜力。本文中,以可溶性盐模板法为基础设计合成了一系列具有特定结构和功能的碳基纳米复合材料,并将它们用作电化学催化剂或锂离子电池负极材料。本文主要研究内容如下:1.NaCl模板法合成FeCo/N掺杂3D多孔碳纳米片复合材料铁基和钴基催化剂分别对ORR和OER过程有很好的催化活性,而形成铁钴合金能够通过协同作用结合两者优势得到高效的双功能氧催化剂。本文通过NaCl模板辅助策略原位合成了FeCo/N掺杂的多孔碳纳米片作为氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的双效催化剂。结果表明,该策略有助于通过模板效应产生具有分级孔结构和较大比表面积的3D互相连接的碳纳米片网络结构。在KOH溶液中,该催化剂对ORR和OER均表现出显着的电催化性能:材料的起始电位为0.92 V（vs.RHE）,半波电位为0.81 V（vs.RHE）,ORR稳定性试验20000 s后的电流保持率为95.7%,OER测试10 mA·cm-2时电位为1.68 V（vs.RHE）。X射线光电子能谱（XPS）结果表明,FeCo/NPC催化剂的Fe 2p3/2和Co 2p3/2结合能与单金属催化剂相比呈现正向位移,这与合金化降低了金属的d带中心有关。2.水溶性盐模板法合成MgFe2O4/氮掺杂3D分级多孔碳纳米片MgFe2O4用做锂离子电池（LIBs）负极材料虽然具有很高的容量,但仍存在循环稳定性和倍率性能差,以及电池的首次效率低等问题。通过与碳复合,可以较好地解决上述问题。本文以水溶性盐NaCl和Na2SiO3为分层模板合成具有分级多孔结构的3D氮掺杂碳纳米片,然后使用溶剂热法制备MgFe2O4/碳纳米片复合材料作为LIBs负极材料。所合成的复合材料在不同的电流密度下展现出优异的循环稳定性、倍率性能和高的首次库伦效率。在0.5 A·g-1的电流密度下循环260次,其比容量维持在1337.7 mAh·g-1,首效为78.3%。在1 A·g-1的电流密度下,首次库伦效率高达81.2%,循环200次后可逆比容量为1042.1 mAh·g-1。在5 A·g-1的电流密度下循环1500次后可逆比容量仍维持在530.3mAh·g-1。其良好的电性能可以归因于铁酸镁和碳纳米片两者的复合及其独特的三维结构。碳纳米片良好的导电网络不仅增强了材料的导电性,而且缓解了MgFe2O4纳米颗粒在连续充放电过程中的聚集和体积膨胀,保持电极结构完整性。而独特的三维结构具有分级多孔结构和较高的比表面积,使电解液与活性物质接触更充分,从而有利于Li+的嵌入和脱出,有效缩短锂离子的传输距离。3.MgFe2O4氮掺杂3D碳纳米片复合载体载铂催化剂碳载铂催化剂较差的稳定性一直是困扰其应用的一大难题。利用氧化物和铂之间强烈的相互作用,可有效缓解纳米铂的团聚和溶解。本文首次采用氮掺杂3D碳纳米片负载MgFe2O4作为载体,由乙二醇还原法在载体表面沉积活性金属Pt颗粒作为高效且稳定的ORR催化剂。XPS结果表明,复合载体催化剂Pt/MgFe2O4/碳纳米片中,Fe 2p和Mg 2p的结合能与MgFe2O4/碳纳米片相比发生了正移动,Pt 4f结合能与Pt/碳纳米片相比发生了负移动,证明了铁酸镁和铂之间存在强相互作用,这有利于电子从载体转移到Pt催化剂和稳定Pt催化剂。ORR测试表明,该催化剂在碱性溶液中具备与商业Pt/C相当的催化活性,优异的稳定性和甲醇耐受性。稳定性测试20000 s后电流保持率达到87.0%,与商业Pt/C（46.9%）和Pt/碳纳米片（76.4%）相比显着提高。
杨彤彤[7]（2019）在《二维材料负载的单原子催化剂的理论模拟与设计》文中认为现代社会对能源的需求与日俱增。不可再生能源的大量使用带来了资源危机和环境问题,发展环境友好的新型可再生能源迫在眉睫。电催化技术可以将水（H20）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）,转变成化学高值的氢气（H2）、氨（NH3）、甲烷（CH4）或者甲醇（CH3OH）等储能分子。其中以氢气为载体的氢能是非常环保的绿色能源。它具有极高的能量密度,而且燃烧产物只有水,对环境零污染。而通过电催化反应,又可以把唯一的产物H20再转化为H2,实现了循环使用。而氨（NH3）是一种重要的化工原料,在化工生产、农业和能源转化等方面有着广泛的应用。目前,氨的主要来源为工业上的Haber-Bosch工艺技术。但是此方法需在高温高压的条件下（350-550℃,150-350 atm）进行,因此会造成大量的能源消耗。电催化氮气还原反应（NRR）可于常温常压条件下进行,且反应原料为水（H20）和氮气（N2）,来源广泛。电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）,为当下日益严重的温室效应问题提供了极佳的解决方案。在减少二氧化碳含量的同时,还可以为社会的发展提供甲烷或者甲醇等能源,可谓一举两得之计。电催化反应能否高效进行的核心在于电催化剂。故而,如何发展稳定且高效的电催化剂成为科学界研究热点。单原子催化剂因其“以一当十”的极高催化效率以及最大化的原子利用率,引发了催化界的广泛研究兴趣。但是,当粒子尺寸缩小至原子层面时,极高的比表面积会促使表面自由能急剧升高,因而单原子很容易团聚耦合形成团簇而失活。为了能使单原子催化剂得以应用,其稳定性的问题成为亟待解决的一大挑战。二维材料,因其具有比表面积大,导电性优良,化学稳定性高,可修饰性强等特点使其成为稳定单原子催化剂载体的极佳之选。本文以第一性原理计算为研究手段,从理论的层面模拟设计了一系列由二维材料负载的单原子电催化剂。全文共五章,各章内容简介如下:首章中,基于本文的研究领域与希冀解决的问题,主要介绍了单原子催化剂、二维材料和电催化反应三个方面的背景知识和研究进展状况。首先,我们简要介绍了单原子催化剂领域的相关知识。自从单原子催化剂问世以来,因其“以一当十”的极高催化效率以及100%的原子利用率,在保证催化反应活性的同时还大大的减少了贵金属的使用量,从而引发了催化界的广泛研究。当粒子尺寸达到单原子水平时,会使催化剂的性质产生一系列翻天覆地的改变,如表面自由能、量子尺寸效应、不饱和的配位环境以及金属-载体之间的相互作用等性质发生急剧变化。当然,任何事物都有两面性,单原子催化剂也有其自身的缺陷,比如粒子尺寸缩小至原子层面时,极高的比表面积会促使其表面自由能急剧升高,另外负载量的增加也会导致在制备以及参与反应的过程中很容易团聚耦合形成团簇而失活。故而,目前的当务之急即是使用适当的方式制备稳定性好、负载量高的单原子催化剂。接下来,我们介绍了单原子催化剂常见的制备方法、性能特点以及应用。本章中第二个方面介绍的是二维材料的相关知识。自从2004年石墨烯问世以来,二维材料因其高稳定性,高比表面积,优良的导热、导电性,可修饰性强等特点,引发了科学家们的广泛关注。本文涉及的二维材料有石墨烯及其衍生物、六方氮化硼和碳氮材料,因而主要介绍了这三种材料的特点、制备方式及应用。本章中最后介绍的为本论文主要涉及的常见电催化反应,如析氢反应（HER）、氮气还原反应（NRR）等。第二章中我们简单介绍了本文的理论依据-第一性原理和密度泛函理论的发展历史,理论内容,常用的近似处理方法和当下应用较为广泛的量化计算模拟软件包。密度泛函理论（DFT）以量子力学为起点,以体系的电子密度为基础研究对象,通过Kohn-Sham方程将存在相互作用的多粒子体系情形转化为没有相互作用的单粒子体系的境况,并且通过交换关联泛函来近似来求解体系基态的电荷密度,从而得到体系基态能量以及其他各种基本性质。在实际模拟计算中,我们根据不同研究对象的特性以及不同的研究目的去确定最合适的交换关联泛函和量化计算软件包来进行计算模拟。接下来的三章介绍的是具体的二维材料负载的单原子催化剂的模拟与设计。第三章中,我们基于第一性原理计算,设计了由石墨烯或碳氮材料“铠甲”保护的新型、稳定且高效的过渡金属（TM）单原子催化剂（SAC）GR-TM-GR和C3N-TM-GR。石墨烯或者二维碳氮化合物可作为“铠甲”保护单过渡金属原子免受有害环境及反应中间体的影响;另一方面,过渡金属原子又可将其电子传递给表面附近保护层的碳或氮的原子将其活化,从而可以促使化学反应在表面上进行。该工作为制备稳定且高效的单原子催化剂了提供了新方向。第四章中,我们设计了两种固氮反应电催化剂:石墨烯-氮化硼异质结负载的单原子Mo催化剂（Mo@BCN）和氧化石墨烯负载的过渡金属催化剂（TM3@GO）。分别简介如下:（1）石墨烯-氮化硼异质结负载的单原子Mo催化剂（Mo@BCN）。在该工作中,我们利用石墨烯与六方氮化硼（h-BN）的复合物BCN作为载体,通过调控石墨烯与h-BN不同的比例,设计了一系列由点缺陷BCN固定的单原子Mo催化剂:Mo@BCN。该催化剂既保持了h-BN优异的固氮反应活性,同时石墨烯的引入将半导体性质的Mo@BN转化为具有金属性质的Mo@BCN,极大的提高了其电荷转移效率。同时,在电催化氮气还原反应中,相比于Mo@BN,我们设计的Mo@BCN还可以有效地抑制其竞争反应-析氢反应（HER）,极大地提高固氮反应效率。通过酶催化机理,Mo@BCN可以高效的将氮气转化为氨。该工作为石墨烯基和六方氮化硼基催化剂的设计开拓了新道路。（2）氧化石墨烯负载的过渡金属催化剂（TM3@GO）。我们设计了四种不同的催化剂:石墨烯负载的单过渡金属原子催化剂（TM@Gr）,氧化石墨烯负载的单过渡金属原子催化剂（TM@GO）,石墨烯负载的过渡金属三聚体催化剂（TM3@Gr）和氧化石墨烯负载的过渡金属三聚体催化剂（TM3@GO）。通过结合能、迁移能垒以及Bader电荷分析等,表明TM3@GO为最稳定的结构。其中,通过Heyrovsky缔合机制,Ni3@GO表现出不俗的固氮反应电催活性。该工作为氧化石墨烯基催化剂的设计提供了重要信息。第五章中,我们设计了由氧化石墨烯（GO）负载的单离子Co催化剂一Co2+/GO。经过研究我们发现,该催化剂具有良好的稳定性,并且能够强烈地催化鲁米诺-过氧化氢体系进行化学发光反应。这项工作将会为其他金属离子负载的GO体系在化学发光反应催化领域中的应用提供指示信息。
李雨航[8]（2018）在《碳基纳米材料电催化氧还原反应的理论与模拟研究》文中提出质子交换膜燃料电池作为新能源技术之一,可以将氢气、甲醇等燃料的化学能直接转化为电能,转化过程简便高效且对环境友好。但是目前这项技术仅在示范级的氢燃料电池汽车、实验级的千瓦级发电装置中得到应用,尚未得到全球范围内多领域的大规模推广,主要原因之一是在阴极氧还原反应（ORR）中需要大量使用铂系材料作为催化剂,而铂的储量有限、价格昂贵,且在高电流密度下的稳定性较差。碳基纳米材料作为非金属催化剂,已有报道证明具有一定的ORR活性,但是ORR催化机理不明,且在酸性条件下的活性有待进一步提高。除应用之外,ORR也是基础电化学研究中的重要反应之一。本论文主要利用密度泛函理论（DFT）计算,辅以部分的分子动力学模拟与实验,来综合考察碳基纳米材料的结构性质与ORR催化活性的本质来源,并试图以此指导碳基ORR催化剂的研发方向。论文主要包括以下内容:（1）掺氮碳纳米管（NCNT）在碱性条件下具有和商业Pt/C催化剂媲美的活性,但是酸性条件下的活性较差。利用DFT计算研究了NCNT的电子结构和表面溶剂势场分布,发现水合氢离子H3O+在NCNT表面与溶剂静电势的综合作用下,稳定存在于距离电极表面4-5?的位置,并在接下来的还原反应中被消耗。设计并计算氧还原反应（ORR）、过氧化氢还原反应（HPRR）、过氧化氢歧化反应（HPD）的中间体与过渡态,结果表明,四电子ORR最优路径所对应的能垒为0.729 eV,二电子ORR为0.313eV,HPRR为0.690 eV,HPD为0.434 eV,说明NCNT表面的O2易被还原为H2O2。此外,所有反应过程的速率控制步骤都指向了与OH物种还原脱附有关的过程,这是由于碳表面与OH基团之间存在较强的相互作用,使得C-O键的断裂需要较高的能量。综上,NCNT在酸性条件下是按照一种混合反应机理来催化ORR的过程,其主要特点为,O2分子在被还原为OH后,转而通过HPD过程被消耗。按此机理,ORR的电子转移数应该在3左右,实验的LSV测试结果为3.086,验证了这种混合机理的合理性。（2）考察氧分子吸附、活化以及界面电子转移的特性,可以深入理解氮掺杂的作用。在碳材料体相中引入吡啶氮掺杂,同时会产生孔洞边缘碳,二者的综合效应改变了碳原子的电子自旋密度。由于O2分子具有顺磁性,计算结果揭示了一种与碳原子自旋密度相关的O2吸附能变化行为,高自旋密度的碳原子最有利于O2的吸附。考察O2分子的前线轨道,发现最低未占据轨道（LUMO）的能量会受到外部静电势场与自身分子振动的影响,当O2处于+4 V左右的外部静电势场时,其LUMO会降低至合理位置,以便发生从电极Fermi能级到LUMO的电子转移。外部静电势主要贡献于双电层中的溶剂偶极子与电解质离子,同时,电极表面发生变化时,提供的静电势也会发生变化。对比纯石墨烯与掺氮石墨烯发现,氮原子掺杂导致电极Fermi能级与氧分子LUMO能量的差值减小,增强了界面电子转移的强度。具体对比石墨氮与吡啶氮的角色差异,结果表明对于其他金属负载,石墨氮作为富电子体,使碳材料表现出电子供体的性质;吡啶氮作为缺电子体,使碳材料表现出电子受体的性质;二者共存时,碳材料对外表现出的电子转移特性受到吡啶氮与石墨氮比例的调控。（3）在乙腈中的CV测试可以发现O2单电子还原产物O2-的氧化峰信号,O2/O2-的平衡电位为-1.22 V（vs Ag/Ag+）,转化为平衡电子能量是-3.78 eV,对应的计算模型可以建立为O2与一个H2O分子的体系。基于CCSD（T）计算,考察[O2...H2O]0到[O2...H2O]-1、[O2...H2O]-1到[OOH...OH]-2两个电子转移过程的势能面,在平衡态时,第一步的热力学势能差为-3.754 eV,动力学能垒为0.17 eV;而第二步的热力学势能差为-2.912 eV,动力学能垒为0.40 eV,由此反推出催化剂应该起到的作用:促进O2中O-O键的伸长、稳定中间体OOH,以调整第二步电子转移过程的热力学与动力学。不含杂原子的石墨烯表面对于O2-、OOH、HO2-的相互作用均比较弱,没有改变ORR本征反应过程的形式;在掺氮后,O2和O2-伸缩振动势能曲线的位置和开口趋势明显改变,含氧中间体可以在表面形成化学吸附,影响质子耦合电子转移所对应的势能面,最终导致O2-可以仅通过质子转移形成OOH稳定在掺氮石墨烯表面,降低HO2-生成的几率。
何珍珍[9]（2017）在《非金属杂原子掺杂碳材料作为微生物燃料电池阴极催化剂的研究》文中研究说明在能源危机和环境污染的当今社会,迫切需要发展微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）这一新世纪绿色能源技术,其具备生物产电和污水处理两大功效,实为未来能源“发动机”。氧气绿色易得,作为空气阴极微生物燃料电池的电子受体,发生阴极氧还原反应（ORR）。氧气在还原过程中具有较高过电势,须以高效催化剂进行推进,贵金属Pt因其高催化活性一直广泛用于MFC阴极反应。然而,Pt基催化剂价高难得且易中毒失活,难以将其用于MFCs扩大化工业生产。因而寻求一种经济高效且稳定的阴极催化剂在MFCs研究领域刻不容缓。本文以非金属杂原子掺杂碳材料为出发点,以开发经济高效且稳定的阴极催化剂为主要目标,设计合成了高倍氮源掺杂碳黑材料催化剂Nx-CBs,高倍氮源掺杂有序介孔碳材料催化剂Nx-OMCs以及二元非金属元素氮氟共掺杂有序介孔碳材料系列催化剂NF-OMCs。利用多种催化剂表征手段分析结构形貌、元素含量、表面化学、氧还原活性以及其在单室微生物燃料电池（SCMFC）的产电特性等,构建了催化剂结构与氧还原活性和产电特性之间的内在联系,并分析了催化剂在电池产电和污水处理方面的功效及扩大化应用的可行性。在该项研究工作中,首次将有序介孔碳材料引入到SCMFC的研究领域,取得了一些原始创新性的研究成果。其具体研究内容如下阐述:（1）合成氮掺杂碳黑材料（Nx-CBs）作为经济实用型催化剂用于微生物燃料电池的研究。原材料掺杂量x（三聚氰胺:碳黑,质量比）为10,50和70。电化学活性检测和电池性能测试表明氮的掺杂显着提高催化剂性能,且N50-CB相较N10-CB和N70-CB具有更好的ORR活性。负载N50-CB阴极催化剂的SCMFCs具有最高的产能输出,最大功率密度达381 mW/m2。结合XPS可知,有效含量氮的负载和更高含量的活性含氮官能团能够促进催化剂电催化活性提高电池性能。（2）在Nx-CBs的基础上,以新型材料OMC为载体,合成氮掺杂有序介孔碳材料（Nx-OMCs）首次运用于微生物燃料电池,实现SCMFC的高电压输出和高功率密度输出。系统表征了氮掺杂后催化剂化学组成、形貌和结构特性。N50-OMC在中性溶液中展现出最高的ORR活性催化剂,可实现553±11 mW/m2的最大功率密度,高于Pt/C催化剂（530±7 mW/m2）。高石墨氮活性官能团含量,高结构缺陷度,高比表面积以及低电子转移阻抗等特性直接影响合成材料ORR活性位点的加强和产电性能。而且在长达近两个月的运行周期后,N50-OMC电压输出显示出更高的稳定性,下降仅为7%。N50-OMC的高产电率和高稳定性能使其成为Pt基催化剂在微生物燃料电池界的有效替代者。（3）合成二元非金属氮氟共掺杂有序介孔碳系列催化剂（NF-OMCs）,在Nx-OMCs基础上,通过二元掺杂并且减少掺杂源用量,初步探索NF-OMCs催化剂的电催化活性及MFC性能。催化剂表征结果显示F不易进入碳结构,但推断F的掺杂能够促进N的负载。电化学测试检测到二元共掺杂（NF-OMC）提高了单元掺杂（N-OMC和F-OMC）的ORR活性,且展现出更高的电压输出和功率输出,表现出更优越的电池性能。但是相比N50-OMC,NF-OMC较差的电化学性能极有可能是F含量太低所致。
王杰[10]（2017）在《三维纳米氧电极的构建及其电催化性能研究》文中研究说明氧电极催化反应的滞后性是制约聚合物电解质燃料电池和锌-空气电池进一步发展的重要因素之一。为了摆脱氧电极催化对贵金属催化剂的依赖,储量丰富、价格低廉的3d过渡金属或者非金属催化剂受到了广泛的关注。本论文以具有高效稳定催化活性的氧还原（ORR）和析氧反应（OER）双功能催化剂为研究对象,构建了具有三维结构的中空一元和二元过渡金属氧化物、多壳层过渡金属复合物以及杂原子掺杂的石墨烯基纳米复合物催化剂,深入探讨了催化剂的形成机理、微观形貌和电化学性能,揭示了催化剂的结构和电化学性能之间的构效关系,为燃料电池和锌-空气电池中氧电极催化材料的发展提供了理论依据和新的研究思路。本论文取得的主要成果如下:（1）基于Kirkendall效应成功制备了碳载三维中空结构的NiO、Co304和Fe203纳米材料,所得纳米材料外径在50 nm-100 nm之间,壁厚约为20 nm。由于多孔结构的存在,有效增加了催化剂的活性位点。三维中空Co3O4/C纳米材料具有最高的ORR催化性能,而Fe2O3/C和NiO/C表现出了优异的OER催化性能。（2）在一元中空过渡金属氧化物的基础上,采用相同的制备方法得到了三维Co2FeO4/C和NiCo2O4/C双金属复合氧化物。与单金属氧化物相比,双金属复合氧化物由于两种金属原子氧化还原电对可逆性明显增强因而表现出了更高的ORR和OER催化性能。除此之外,与Pt/C相比,该类催化剂具有更高的催化稳定性和抗甲醇性能。作为锌-空气电池氧电极催化剂时,表现出了优异的电池稳定性。（3）为进一步提高电催化活性,以EDTA为氮源和络合剂,采用高温后处理的方法得到三维氮掺杂的碳载金属复合物。络合常数较高的Co-EDTA和Ni-EDTA在高温处理后得到具有双壳层结构的Co@CoO/NDC和Ni@NiO/NDC纳米材料,而络合常数较低的Mn-EDTA,煅烧后MnO纳米颗粒被碳层覆盖,随着煅烧温度升高,碳层越来越致密。电化学测试结果表明,Co@CoOO/NDC-700催化剂中由于Co和N的协同作用表现出优于Ni@NiO/NDC和MnO/NDC的双功能催化性能。作为锌-空气电池的氧电极催化材料,Co@CoO/NDC-700催化剂表现出了优异的峰值功率密度（192.1 mW cm-2）、电流密度、放电电位以及充放电稳定性。（4）基于碳材料比过渡金属氧化物更优异的导电性,将Vulcan XC-72纳米球插入到二维石墨烯层与层之间,并进行N/S掺杂,得到具有三维插层结构的N/S共掺杂的非金属复合结构材料。所得插层结构材料有效阻止了石墨烯的堆积,提高了材料的比表面积,有效增加了催化剂的活性位点。而对其进行N/S共掺杂,有效提高了三维纳米复合材料的ORR催化性能。该催化剂作为锌-空气电池的氧电极材料,表现出了优异的电池性能。（5）基于一维多壁碳纳米管（MWCNTs）的多层结构,采用传统的Hummers法对MWCNTs进行部分剥离构建三维结构石墨烯基复合材料,通过对其进行N/S或者N/P共掺杂,以提高其电催化性能。实验结果表明,MWCNTs剥离程度对催化剂的催化活性具有非常重要的影响,部分剥离的材料,剥离的石墨烯围绕在未剥离碳纳米管骨架表面形成三维结构,有效的阻止了石墨烯纳米带的堆积,具有最高的电催化活性和电池性能。
二、Pt/C及Pt-Fe/C系列氧电催化还原材料的量子化学研究（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、Pt/C及Pt-Fe/C系列氧电催化还原材料的量子化学研究（论文提纲范文）
（1）二氧化锆碳基复合材料制备及其氧还原性能（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 金属-空气电池 |
| 1.2.1 金属-空气电池简介 |
| 1.2.2 金属-空气电池分类及工作原理 |
| 1.3 阴极氧还原反应机理 |
| 1.4 空气阴极催化剂 |
| 1.4.1 过渡金属氧化物催化剂 |
| 1.4.2 过渡金属氮化物催化剂 |
| 1.4.3 过渡金属-氮-碳催化剂 |
| 1.4.4 过渡金属碳化物催化剂 |
| 1.4.5 过渡金属硫化物催化剂 |
| 1.5 本文的主要研究内容 |
| 第2章 实验部分 |
| 2.1 实验制备与表征 |
| 2.1.1 实验试剂 |
| 2.1.2 实验仪器 |
| 2.1.3 电化学性能表征 |
| 2.1.4 形貌结构表征 |
| 2.2 密度泛函理论(DFT) |
| 2.2.1 DFT计算简介 |
| 2.2.2 DFT计算模型 |
| 第3章 ZrO_2/NC电催化剂的制备及氧还原性能 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验方法 |
| 3.2.1 ZrO_2/NC催化剂制备 |
| 3.2.2 ZrO_2/NC催化剂计算方法及模型 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 性能测试结果与分析 |
| 3.3.2 形貌结构分析 |
| 3.3.3 催化剂的理论分析 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 FeZrO_2/NC电催化剂的制备及氧还原性能 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验方法 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 性能测试结果与分析 |
| 4.3.2 形貌结构分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 |
| 致谢 |
（2）金属有机框架衍生合金的制备、表征及其析氢性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 氢气制备方法 |
| 1.2.1 化石燃料制氢 |
| 1.2.2 热化学转化制备氢气 |
| 1.2.3 光催化制备氢气 |
| 1.2.4 生物化学制备氢气 |
| 1.2.5 电催化水分解制备氢气 |
| 1.3 电化学水分解的基本机理 |
| 1.3.1 析氢反应机理 |
| 1.3.2 酸性和碱性析氢反应比较 |
| 1.3.3 电催化剂的活性和反应动力学 |
| 1.3.4 用于表征HER催化剂的电化学活性的参数 |
| 1.4 金属有机框架 |
| 1.4.1 金属有机框架的介绍 |
| 1.4.2 基于MOFs的电化学水分解用电催化剂 |
| 1.5 本论文研究主要内容及意义 |
| 1.5.1 主要内容 |
| 1.5.2 意义 |
| 第2章 实验部分 |
| 2.1 实验仪器与试剂 |
| 2.1.1 实验仪器 |
| 2.1.2 实验试剂 |
| 2.2 材料制备方法 |
| 2.2.1 溶剂热法 |
| 2.2.2 溶液浸渍法 |
| 2.2.3 湿化学原位还原法 |
| 2.3 样品表征方法 |
| 2.3.1 物理性质表征 |
| 2.3.2 电化学表征 |
| 2.4 工作电极制备方法 |
| 2.4.1 电催化剂墨水的制备 |
| 2.4.2 工作电极的制备 |
| 第3章 不同形貌Ni-MOF前驱体制备与析氢性能研究 |
| 3.1 前言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 前驱体球状Ni-MOF(3D)催化剂的制备 |
| 3.2.2 前驱体六边状Ni-MOF(3D)催化剂的制备 |
| 3.2.3 前驱体层状Ni-MOF(2D)催化剂的制备 |
| 3.2.4 前驱体纤维状Ni-MOF(1D)催化剂的制备 |
| 3.3 Ni-MOF催化剂的表征结果与讨论 |
| 3.3.1 X射线粉末衍射分析 |
| 3.3.2 扫描电子显微镜分析 |
| 3.3.3 电化学性能表征 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 钯掺杂Ni-MOF前驱体的制备与性能研究 |
| 4.1 前言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 Ni-MOF催化剂的制备 |
| 4.2.2 Ni-MOF/Pd催化剂的制备 |
| 4.3 Ni-MOF/Pd催化剂的表征结果讨论 |
| 4.3.1 X射线粉末衍射分析 |
| 4.3.2 X射线光电子能谱分析 |
| 4.3.3 扫描电子显微镜和能谱分析 |
| 4.3.4 电化学性能分析 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 银掺杂过渡金属基MOFs的制备与析氢性能研究 |
| 5.1 前言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 M-MOF催化剂的制备 |
| 5.2.2 M-MOF/Ag催化剂的制备 |
| 5.2.3 银纳米颗粒的制备 |
| 5.3 Ni-MOF/Ag催化剂的表征结果讨论 |
| 5.3.1 X射线粉末衍射分析 |
| 5.3.2 X射线光电子能谱分析 |
| 5.3.3 傅里叶变换红外光谱分析 |
| 5.3.4 拉曼光谱分析 |
| 5.3.5 热场发射扫描电子显微镜 |
| 5.3.6 透射电子显微镜分析 |
| 5.3.7 氮吸附比表面分析 |
| 5.3.8 激光衍射粒度分析 |
| 5.3.9 电化学性能分析 |
| 5.4 M-MOF/Ag(M= Fe、Co和 Zn)催化剂的表征结果讨论 |
| 5.4.1 X射线粉末衍射分析 |
| 5.4.2 X射线光电子能谱分析 |
| 5.4.3 扫描电子显微镜及能谱分析 |
| 5.4.4 电化学性能分析 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读硕士期间研究成果 |
（3）掺杂石墨烯和低铂合金纳米材料的制备及电催化性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 燃料电池概述 |
| 1.3 燃料电池类型 |
| 1.3.1 低温氢燃料电池 |
| 1.3.2 直接氨燃料电池 |
| 1.4 阴极氧还原反应和阳极氨氧化反应 |
| 1.4.1 氧还原反应 |
| 1.4.2 氨氧化反应 |
| 1.5 本论文的主要研究内容及意义 |
| 第二章 氮、硫共掺杂石墨烯及电催化氧还原性能 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 氮、硫共掺杂石墨烯的制备与表征 |
| 2.2.1 氮、硫共掺杂石墨烯的制备 |
| 2.2.2 催化剂材料的表征 |
| 2.2.3 结果与讨论 |
| 2.3 氮、硫共掺杂石墨烯的电化学性能表征 |
| 2.3.1 电极制作 |
| 2.3.2 循环伏安测试 |
| 2.3.3 氧还原反应测试 |
| 2.3.4 催化剂稳定性测试 |
| 2.3.5 催化剂抗甲醇中毒测试 |
| 2.3.6 结果与讨论 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 氟、氮、硫三元掺杂石墨烯及电催化氧还原性能 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 氟、氮、硫三元掺杂石墨烯的制备与表征 |
| 3.2.1 氟、氮、硫三元掺杂石墨烯的制备 |
| 3.2.2 催化剂材料的表征 |
| 3.2.3 结果与讨论 |
| 3.3 氟、氮、硫三元掺杂石墨烯的电化学性能表征 |
| 3.3.1 电化学性能表征 |
| 3.3.2 结果与讨论 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 铁基/氮、硫共掺杂三维石墨烯及电催化氧还原性能 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 铁基/氮、硫共掺杂三维石墨烯的制备与表征 |
| 4.2.1 铁基/氮、硫共掺杂三维石墨烯的制备 |
| 4.2.2 铁基/氮、硫共掺杂三维石墨烯的表征 |
| 4.2.3 结果与讨论 |
| 4.3 铁基/氮、硫共掺杂三维石墨烯的电化学性能表征 |
| 4.3.1 电化学性能表征 |
| 4.3.2 结果与讨论 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯及电催化氧还原、析氧性能 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯的制备与表征 |
| 5.2.1 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯的制备 |
| 5.2.2 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯的表征 |
| 5.2.3 结果与讨论 |
| 5.3 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯的电化学性能表征 |
| 5.3.1 电化学性能表征 |
| 5.3.2 结果与讨论 |
| 5.4 钴基/氮、硫共掺杂石墨烯的锌-空电池性能表征 |
| 5.4.1 锌-空电池性能表征 |
| 5.4.2 结果与讨论 |
| 5.5 本章小结 |
| 第六章 铂、铱、镍三元合金催化剂及电催化氨氧化性能 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 铂铱镍三元合金催化剂的制备与表征 |
| 6.2.1 铂铱镍三元合金催化剂的制备 |
| 6.2.2 铂铱镍三元合金催化剂的表征 |
| 6.2.3 结果与讨论 |
| 6.3 铂铱镍三元合金催化剂的电化学性能表征 |
| 6.3.1 电极制作 |
| 6.3.2 循环伏安测试 |
| 6.3.3 催化剂的恒压测试 |
| 6.3.4 催化剂稳定性测试 |
| 6.3.5 催化剂阻抗测试 |
| 6.3.6 结果与讨论 |
| 6.4 理论计算揭示Pt Ir Ni合金电催化氨氧化活性位点 |
| 6.4.1 DFT计算细节 |
| 6.4.2 群轨道计算细节 |
| 6.4.3 结果与讨论 |
| 6.5 本章小结 |
| 第七章 铂、铱、锌三元合金催化剂及电催化氨氧化性能 |
| 7.1 引言 |
| 7.2 铂铱锌三元合金催化剂的制备与表征 |
| 7.2.1 铂铱锌三元合金催化剂的制备 |
| 7.2.2 铂铱锌三元合金催化剂的表征 |
| 7.2.3 结果与讨论 |
| 7.3 铂铱锌三元合金催化剂的电化学性能表征 |
| 7.3.1 铂铱锌三元合金催化剂的电化学测试 |
| 7.3.2 结果与讨论 |
| 7.4 铂铱锌三元合金催化剂的直接氨燃料电池性能表征 |
| 7.4.1 直接氨燃料电池性能表征 |
| 7.4.2 结果与讨论 |
| 7.5 本章小结 |
| 第八章 结论与展望 |
| 8.1 结论 |
| 8.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间发表的论文与主要成果 |
（4）以豆渣为前驱体制备高性能金属空气电池阴极催化剂（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 生物质碳材料 |
| 1.1.1 生物质碳材料的概述 |
| 1.1.2 生物质碳材料的制备及改良 |
| 1.1.3 生物质碳材料的特性及应用 |
| 1.2 质子交换膜燃料电池 |
| 1.2.1 质子交换膜燃料电池概述 |
| 1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理 |
| 1.2.3 基于碳材料的质子交换膜燃料电池催化剂 |
| 1.3 锌-空气电池 |
| 1.3.1 锌-空气电池概述 |
| 1.3.2 锌-空气电池的工作原理 |
| 1.3.3 基于碳材料的锌-空气电池催化剂 |
| 1.4 本论文的选题依据及研究意义 |
| 第2章 氮掺杂过渡金属制备高性能金属空气电池阴极催化剂 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.2.1 实验试剂 |
| 2.2.2 氮掺杂多孔碳纳米片(Ni@N-C)的制备 |
| 2.2.3 氮掺杂多孔碳纳米片(Ni@N-C)物理表征设备 |
| 2.2.4 电化学性能测试 |
| 2.3 结果与讨论 |
| 2.3.1 氮掺杂多孔碳纳米片(Ni@N-C)的物理表征 |
| 2.3.2 氮掺杂多孔碳纳米片(Ni@N-C)的氧还原性能探究 |
| 2.4 小结 |
| 第3章 负载NiCo的二维多孔碳纳米片用作锌空电池阴极双功能电催化剂 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 实验试剂 |
| 3.2.2 负载NiCo的二维多孔碳纳米片(NiCo/N-C)的制备 |
| 3.2.3 物理表征设备 |
| 3.2.4 电化学性能测试 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 负载NiCo的二维多孔碳纳米片(NiCo/N-C)物理表征 |
| 3.3.2 负载NiCo的二维多孔碳纳米片(NiCo/N-C)的ORR和OER电催化性能探究 |
| 3.4 小结 |
| 第4章 制备负载CoP的氮掺杂多孔碳纳米片及其对析氧催化性能的研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 实验试剂 |
| 4.2.2 负载CoP的氮掺杂多孔碳纳米片(CoP@N-C)的制备 |
| 4.2.3 物理表征设备 |
| 4.2.4 电化学性能测试 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 负载CoP的氮掺杂多孔碳纳米片(CoP@N-C)的物理表征 |
| 4.3.2 负载CoP的氮掺杂多孔碳纳米片(CoP@N-C)的析氧性能探究 |
| 4.4 小结 |
| 总结展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间已发表及待发表的成果 |
| 致谢 |
（5）碳基单原子铁催化剂催化氧化燃煤烟气NO和Hg0的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及意义 |
| 1.2 燃煤电站多污染物一体化脱除研究综述 |
| 1.2.1 吸附剂法 |
| 1.2.2 气相氧化法 |
| 1.2.3 湿式氧化法 |
| 1.2.4 气固催化氧化法 |
| 1.3 碳基单原子催化剂制备、应用和理论研究综述 |
| 1.3.1 碳基单原子催化剂的制备与表征 |
| 1.3.2 碳基单原子催化剂的应用 |
| 1.3.3 单原子催化剂的理论计算研究 |
| 1.4 课题与研究内容 |
| 1.4.1 研究课题的提出 |
| 1.4.2 研究内容 |
| 第2章 碳基单原子Fe催化剂的理论构型与烟气组分吸附特性 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 DFT理论与VASP软件介绍 |
| 2.2.1 Schrodinger方程 |
| 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理 |
| 2.2.3 Kohn-Sham方程 |
| 2.2.4 交换关联泛函 |
| 2.2.5 VASP软件介绍 |
| 2.3 催化剂模型与计算设定 |
| 2.3.1 单原子催化剂模型 |
| 2.3.2 DFT计算设定 |
| 2.4 催化剂几何和电子结构 |
| 2.4.1 几何结构 |
| 2.4.2 电子结构 |
| 2.5 烟气吸附特性研究 |
| 2.6 本章小结 |
| 第3章 碳基单原子Fe催化剂催化氧化NO和Hg~0的机理研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 催化氧化NO的反应机理 |
| 3.2.1 Fe/SV-GN上的路径分析 |
| 3.2.2 Fe/SV-N3上的路径分析 |
| 3.2.3 Fe/DV-GN上的路径分析 |
| 3.2.4 Fe/DV-N4上的路径分析 |
| 3.3 催化O_2氧化Hg~0的反应机理 |
| 3.3.1 反应路径分析 |
| 3.3.2 能量变化分析 |
| 3.4 Hg~0、HgCl和HgCl_2的吸附特性 |
| 3.4.1 Hg~0的吸附 |
| 3.4.2 HgCl的吸附 |
| 3.4.3 HgCl_2的吸附 |
| 3.4.4 吸附活性差异分析 |
| 3.4.5 吸附热力学分析 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 碳基单原子Fe催化剂催化氧化NO和Hg~0的实验研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 催化剂的制备 |
| 4.3 催化剂的表征 |
| 4.3.1 ZIF-8和前驱体确认 |
| 4.3.2 Fe_(SA)-CN形貌和价态 |
| 4.3.3 Fe_(SA)-CN精细结构分析 |
| 4.3.4 Fe_(SA)-CN性质分析 |
| 4.4 催化氧化实验研究 |
| 4.4.1 实验系统介绍 |
| 4.4.2 催化氧化NO的催化活性分析 |
| 4.4.3 催化氧化Hg~0的催化活性分析 |
| 4.4.4 气氛对催化氧化NO和Hg~0的影响 |
| 4.4.5 催化剂的稳定性分析 |
| 4.5 本章小结 |
| 第5章 烟气中砷和铅污染物的吸附特性 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 As_2O_3、Pb~0、PbO和PbCl_2的吸附特性 |
| 5.2.1 As_2O_3的吸附 |
| 5.2.2 Pb~0的吸附 |
| 5.2.3 PbO的吸附 |
| 5.2.4 PbCl_2的吸附 |
| 5.3 吸附活性差异分析 |
| 5.4 吸附热力学分析 |
| 5.5 竞争吸附分析 |
| 5.6 工程应用分析 |
| 5.7 本章小结 |
| 第6章 碳基单原子催化剂的构效关系研究 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 催化剂几何结构分析 |
| 6.3 催化剂稳定性分析 |
| 6.4 催化剂中心金属电荷和d带中心分析 |
| 6.4.1 中心金属电荷 |
| 6.4.2 d带中心 |
| 6.5 氧原子吸附能预测模型 |
| 6.6 本章小结 |
| 第7章 结论与展望 |
| 7.1 论文工作总结 |
| 7.2 对今后工作的建议与展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 |
| 攻读博士学位期间参加的科研工作 |
| 致谢 |
| 作者简介 |
（6）碳载金属/金属氧化物复合材料的合成及电化学性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 碳载金属/金属氧化物复合材料在氧的电催化转化反应中的应用 |
| 1.2.1 ORR的电催化剂 |
| 1.2.2 ORR和OER的双功能电催化剂 |
| 1.2.3 碳载金属/金属氧化物复合氧电催化剂存在的问题和发展方向 |
| 1.3 碳载金属/金属氧化物复合材料在锂离子电池负极中的应用 |
| 1.3.1 脱嵌机制的负极材料 |
| 1.3.2 合金机制的负极材料 |
| 1.3.3 转换反应机制负极材料 |
| 1.3.4 碳载金属/金属氧化物锂电负极材料存在的问题和发展方向 |
| 1.4 选题依据、主要研究内容及创新点 |
| 1.4.1 选题依据 |
| 1.4.2 主要研究内容 |
| 1.4.3 主要创新点 |
| 第二章 实验试剂及测试分析设备 |
| 2.1 实验主要试剂 |
| 2.2 实验及材料表征仪器 |
| 第三章 NaCl模板法原位合成FeCo/N掺杂3D多孔碳纳米片及氧电催化转化性能研究 |
| 3.1 前言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 合成过程 |
| 3.2.2 电化学测试 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 材料的物理化学性能表征 |
| 3.3.2 材料的电催化性能表征 |
| 3.4 结论 |
| 第四章 水溶性盐模板法合成MgFe_2O_4/氮掺杂3D多孔碳纳米片及其储锂性能研究 |
| 4.1 前言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 合成过程 |
| 4.2.2 电极制作与电化学测试 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 材料的物理化学性能表征 |
| 4.3.2 材料的电性能表征 |
| 4.4 结论 |
| 第五章 MgFe_2O_4/氮掺杂3D碳纳米片负载Pt氧还原催化剂的制备及ORR性能研究 |
| 5.1 前言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 合成过程 |
| 5.2.2 电化学测试 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 材料的物理化学性能表征 |
| 5.3.2 材料的ORR催化性能表征 |
| 5.3.3 材料ORR催化稳定性测试前后形貌和粒径对比 |
| 5.4 结论 |
| 第六章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读学位期间发表的学术论文目录 |
（7）二维材料负载的单原子催化剂的理论模拟与设计（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 单原子催化简介 |
| 1.2.1 单原子催化剂的常见制备方法 |
| 1.2.2 单原子催化剂的性能特点 |
| 1.2.2.1 高反应活性 |
| 1.2.2.2 高选择性 |
| 1.2.2.3 高稳定性 |
| 1.2.3 单原子催化剂的应用 |
| 1.2.3.1 氧化反应 |
| 1.2.3.2 光电催化反应 |
| 1.2.3.3 选择性加氢反应 |
| 1.2.3.4 其他反应 |
| 1.3 二维材料简介 |
| 1.3.1 常见的二维材料 |
| 1.3.1.1 石墨烯 |
| 1.3.1.2 二维碳氮材料 |
| 1.3.1.3 氮化硼 |
| 1.3.1.4 其他二维材料 |
| 1.3.2 常见的二维材料的制备方法 |
| 1.3.3 二维材料的应用 |
| 1.3.3.1 电子器件 |
| 1.3.3.2 能量储存和转化 |
| 1.3.3.3 光电催化 |
| 1.3.3.4 环境治理 |
| 1.4 常见的电催化反应 |
| 1.4.1 析氢反应(HER) |
| 1.4.2 固氮反应(NRR) |
| 1.4.3 其他反应 |
| 参考文献 |
| 第2章 理论方法简介 |
| 2.1 第一性原理简介 |
| 2.1.1 价电子近似 |
| 2.1.2 Born-Oppenheimer近似 |
| 2.1.3 Hartree-Fock近似 |
| 2.2 密度泛函理论简介 |
| 2.2.1 密度泛函理论基础 |
| 2.2.1.1 Tomas-Fermi-Dirac理论 |
| 2.2.1.2 Hohenberg-Kohn定理 |
| 2.2.1.3 Kohn-Sham定理 |
| 2.2.2 交换相关泛函 |
| 2.2.2.1 局域密度近似(LDA) |
| 2.2.2.2 广义梯度近似(GGA) |
| 2.2.2.3 杂化泛函 |
| 2.3 量化计算软件包 |
| 参考文献 |
| 第3章 石墨烯/碳氮材料“铠甲”保护的单原子催化剂在析氢反应中的应用 |
| 3.1 背景介绍 |
| 3.2 计算细节 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 直接吸附型单原子催化剂 |
| 3.3.2 “铠甲”保护的三明治型单原子催化剂 |
| 3.3.2.1 铠甲”保护的三明治型单原子催化剂的稳定性 |
| 3.3.2.2 “铠甲”保护的三明治型单原子催化剂的HER反应活性 |
| 3.3.3 工作总结 |
| 参考文献 |
| 第4章 二维材料负载的单原子催化剂在固氮反应中的应用 |
| 4.1 背景介绍 |
| 4.2 石墨烯-氮化硼复合物负载的单原子催化剂高效催化氮还原反应 |
| 4.2.1 计算细节 |
| 4.2.2 结果与讨论 |
| 4.2.2.1 BCN和Mo@BCN的稳定性与电子结构性质 |
| 4.2.2.2 氮(N_2)和氢原子(H)在催化剂上的吸附 |
| 4.2.2.3 Mo@BCN电催化氮气还原反应 |
| 4.2.3 工作总结 |
| 4.3 氧化石墨烯负载的过渡金属催化剂高效催化氮气转氨反应 |
| 4.3.1 计算细节 |
| 4.3.2 结果与讨论 |
| 4.3.2.1 设计的不同催化剂的结构、稳定性以及电荷分布情况 |
| 4.3.2.2 设计的催化剂的固氮反应活性 |
| 4.3.3 工作总结 |
| 参考文献 |
| 第5章 氧化石墨烯负载的单离子Co高效催化化学发光反应 |
| 5.1 背景介绍 |
| 5.2 计算细节 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 GO负载的Co和Co~(2+)催化剂 |
| 5.3.2 Co/GO和Co~(2+)/GO的化学发光反应活性 |
| 5.3.3 工作总结 |
| 参考文献 |
| 第6章 总结与展望 |
| 6.1 结论与总结 |
| 6.2 展望 |
| 致谢 |
| 攻读博士期间发表的学术论文与取得的研究成果 |
（8）碳基纳米材料电催化氧还原反应的理论与模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 燃料电池概述 |
| 1.2.1 燃料电池简介 |
| 1.2.2 燃料电池发展历程与前景 |
| 1.2.3 燃料电池面临的若干问题 |
| 1.3 氧还原反应的电化学原理与催化机理 |
| 1.4 分子模拟及其能源催化研究应用概述 |
| 1.4.1 第一性原理方法概述 |
| 1.4.2 第一性原理方法用于能源催化研究简述 |
| 1.4.3 分子模拟在电极反应研究中面临的若干问题 |
| 1.5 氧还原反应催化机理与催化新材料的研究进展 |
| 1.5.1 氧还原反应活性的火山型曲线 |
| 1.5.2 氧还原反应过程的动力学性质 |
| 1.5.3 氧还原反应材料的开发与指导 |
| 1.6 本论文的研究思路、主要内容及意义 |
| 第2章 计算方法与实验内容 |
| 2.1 材料计算——Materials Studio |
| 2.1.1 原理简介 |
| 2.1.2 能量计算与结构优化 |
| 2.1.3 过渡态搜索 |
| 2.2 分子团簇计算——ORCA |
| 2.2.1 原理简介 |
| 2.2.2 能量计算与结构优化 |
| 2.3 实验与表征 |
| 2.3.1 实验药品与仪器 |
| 2.3.2 催化剂表征与电化学测试 |
| 第3章 氮掺杂碳纳米管催化氧还原反应机理 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 建模与计算方法 |
| 3.3 反应路径设计 |
| 3.4 反应中间体与过渡态计算 |
| 3.4.1 氢离子迁移 |
| 3.4.2 氧分子电化学还原 |
| 3.4.3 过氧化氢电化学还原 |
| 3.4.4 过氧化氢歧化分解 |
| 3.4.5 混合反应路径 |
| 3.5 实验验证与理论指导意义 |
| 3.5.1 掺氮碳纳米管制备、表征、氧还原活性测试 |
| 3.5.2 理论指导意义 |
| 3.6 本章小结 |
| 第4章 碳基材料电子结构调控与氧还原活性的关联 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 建模与计算方法 |
| 4.3 自旋密度对氧吸附的影响 |
| 4.4 氮掺杂对分子轨道与界面电荷转移的影响 |
| 4.4.1 氧分子的轨道及其影响因素 |
| 4.4.2 氮掺杂对轨道能级的影响 |
| 4.5 氮物种调控能带结构及非氮位点协同作用 |
| 4.5.1 氮物种比例对能带结构的影响 |
| 4.5.2 其他元素对掺氮碳材料的协同作用 |
| 4.6 理论指导意义 |
| 4.7 本章小结 |
| 第5章 氧还原反应势能面及其本征电极反应原理 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 建模与计算方法 |
| 5.3 电子能量与电位的关联 |
| 5.4 氧分子与水反应的势能面 |
| 5.4.1 氧分子到超氧物种 |
| 5.4.2 超氧物种到过氧物种 |
| 5.5 超氧物种在碳材料上的转化 |
| 5.6 理论指导意义 |
| 5.7 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读博士学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
| 附件 |
（9）非金属杂原子掺杂碳材料作为微生物燃料电池阴极催化剂的研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 微生物燃料电池的历史进展 |
| 1.3 微生物燃料电池的主要构型 |
| 1.4 微生物燃料电池反应原理 |
| 1.5 阴极氧还原催化剂的研究 |
| 1.5.1 金属催化剂 |
| 1.5.2 非金属杂原子掺杂催化剂 |
| 1.6 |
| 1.6.1 本论文课题依据 |
| 1.6.2 本论文研究内容 |
| 第二章 实验设计与测试方法 |
| 2.1 实验材料和试剂 |
| 2.2 实验仪器 |
| 2.3 微生物燃料电池的构建 |
| 2.3.1 阴极和阳极碳布预处理 |
| 2.3.2 阴极和阳极碳布混酸修饰 |
| 2.3.3 阴极碳布防水处理 |
| 2.3.4 阴极催化剂制备 |
| 2.3.5 微生物接种与培养 |
| 2.3.6 MFCs组装与运行 |
| 2.4 电化学活性和电池性能测试 |
| 2.4.1 输出电压的采集 |
| 2.4.2 功率密度和极化曲线测试 |
| 2.4.3 循环伏安测试 |
| 2.4.4 交流阻抗测试 |
| 2.4.5 COD去除率和库伦效率测试 |
| 2.5 催化剂表征 |
| 2.5.1 X射线粉末衍射 |
| 2.5.2 透射电子显微镜 |
| 2.5.3 扫描电子显微镜和能量分散谱 |
| 2.5.4 氮气-等温吸附吸附 |
| 2.5.5 X射线光电子能谱 |
| 2.5.6 拉曼光谱 |
| 第三章 氮掺杂碳黑作为经济实用型非金属催化剂在微生物燃料电池中的应用 |
| 3.1 实验部分 |
| 3.2 结果与讨论 |
| 3.2.1 催化剂表征 |
| 3.2.2 Nx-CB催化剂的电化学活测试 |
| 3.2.3 Nx-CB催化剂的SCMFCs性能测试 |
| 3.2.4 SCMFCs的COD去除率和库伦效率 |
| 3.3 Nx-CBs阴极催化剂的研究意义 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 氮掺杂有序介孔碳材料作为非金属催化剂在微生物燃料电池中的应用 |
| 4.1 实验部分 |
| 4.1.1 催化剂的制备 |
| 4.1.2 催化剂电化学和水化学测试 |
| 4.1.3 催化剂的表征 |
| 4.2 结果与讨论 |
| 4.2.1 Nx-OMC催化剂结构、形态和表面化学的表征 |
| 4.2.2 Nx-OMC催化剂电化学特性 |
| 4.2.3 Nx-OMC催化剂在SCMFC中的产电性能 |
| 4.2.4 SCMFCs的COD去除率和库伦效率 |
| 4.3 Nx-OMC催化剂于MFCs实用化的可行性研究 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 氮氟共掺杂有序介孔碳材料作为二元非金属催化剂在微生物燃料电池中的研究 |
| 5.1 实验部分 |
| 5.1.1 催化剂的制备 |
| 5.1.2 催化剂电化学和SCMFCs性能测试 |
| 5.1.3 催化剂表征 |
| 5.2 结果与讨论 |
| 5.2.1 NF-OMC催化剂结构、形貌和含量表征 |
| 5.2.2 NF-OMCs催化剂的水化学测试 |
| 5.3 NF-OMC催化剂的可行性研究意义 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论与展望 |
| 结论 |
| 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间取得的研究成果 |
| 致谢 |
| 附件 |
（10）三维纳米氧电极的构建及其电催化性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 聚合物电解质燃料电池概述 |
| 1.2.1 质子交换膜燃料电池 |
| 1.2.2 碱性聚合物燃料电池 |
| 1.2.3 工作原理 |
| 1.2.4 阴极氧还原反应机理 |
| 1.2.5 阴极氧还原反应研究现状 |
| 1.3 锌-空气电池概述 |
| 1.3.1 锌-空气电池研究现状 |
| 1.4 本论文的研究目的和主要内容 |
| 参考文献 |
| 2 三维中空一元过渡金属氧化物的制备及其电化学性能研究 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 实验部分 |
| 2.3 结果与讨论 |
| 2.3.1 中空结构金属氧化物的结构形貌探究 |
| 2.3.2 中空结构金属氧化物的电化学性能探究 |
| 2.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 3 三维中空二元过渡金属氧化物的制备及其电化学性能研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 实验部分 |
| 3.2.1 实验药品 |
| 3.2.2 实验仪器 |
| 3.2.3 催化剂的制备 |
| 3.3 结果与讨论 |
| 3.3.1 二元中空Co_2FeO_4/C的结构形貌探究 |
| 3.3.2 二元中空Co_2FeO_4/C的电化学性能探究 |
| 3.3.3 二元中空NiCo_2O_4/C的结构形貌探究 |
| 3.3.4 二元中空NiCo_2O_4/C的电化学性能探究 |
| 3.3.5 锌-空气电池性能 |
| 3.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 4 三维多层过渡金属复合物的制备及其电化学性能研究 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 实验部分 |
| 4.2.1 实验药品 |
| 4.2.2 实验仪器 |
| 4.2.3 催化剂的制备 |
| 4.2.4 理论计算 |
| 4.3 结果与讨论 |
| 4.3.1 三维多层复合物的结构形貌探究 |
| 4.3.2 三维多层复合物的电化学性能探究 |
| 4.3.3 三维多层复合物的锌-空气电池测试 |
| 4.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 5 氮硫共掺杂三维石墨烯插层纳米复合催化剂及其作为氧电极的电催化性能 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 实验部分 |
| 5.2.1 实验药品 |
| 5.2.2 实验仪器 |
| 5.2.3 催化剂的制备 |
| 5.3 结果与讨论 |
| 5.3.1 三维结构的探究 |
| 5.3.2 杂原子的存在形式探究 |
| 5.3.3 电催化性能探究 |
| 5.3.4 锌-空气电池性能 |
| 5.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 6 三维石墨烯基复合催化剂的杂原子掺杂及其作为氧电极的电催化性能 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 实验部分 |
| 6.2.1 实验药品 |
| 6.2.2 实验仪器 |
| 6.2.3 催化剂的制备 |
| 6.3 结果与讨论 |
| 6.3.1 N/S共掺杂剥离碳纳米管的结构形貌探究 |
| 6.3.2 N/S共掺杂剥离碳纳米管的结构形貌探究 |
| 6.3.3 N/P共掺杂剥离碳纳米管的结构形貌探究 |
| 6.3.4 N/P共掺杂剥离碳纳米管的电化学性能探究 |
| 6.3.5 锌-空气电池性能 |
| 6.4 本章小结 |
| 参考文献 |
| 7 总结与展望 |
| 致谢 |
| 附录1 攻读博士学位期间发表和待发表论文和专利目录 |
| 附录2 攻读博士学位期间参加的学术会议 |
| 附录3 攻读博士学位期间参加的科研项目 |
四、Pt/C及Pt-Fe/C系列氧电催化还原材料的量子化学研究（论文参考文献）
- [1]二氧化锆碳基复合材料制备及其氧还原性能[D]. 王美秋. 燕山大学, 2021(01)
- [2]金属有机框架衍生合金的制备、表征及其析氢性能研究[D]. 薛真洪. 西南大学, 2021(01)
- [3]掺杂石墨烯和低铂合金纳米材料的制备及电催化性能研究[D]. 李毅. 江苏大学, 2020
- [4]以豆渣为前驱体制备高性能金属空气电池阴极催化剂[D]. 汪晶晶. 南京师范大学, 2020(03)
- [5]碳基单原子铁催化剂催化氧化燃煤烟气NO和Hg0的研究[D]. 杨维结. 华北电力大学(北京), 2019
- [6]碳载金属/金属氧化物复合材料的合成及电化学性能研究[D]. 高荣贞. 河南师范大学, 2019(07)
- [7]二维材料负载的单原子催化剂的理论模拟与设计[D]. 杨彤彤. 中国科学技术大学, 2019(08)
- [8]碳基纳米材料电催化氧还原反应的理论与模拟研究[D]. 李雨航. 华南理工大学, 2018(01)
- [9]非金属杂原子掺杂碳材料作为微生物燃料电池阴极催化剂的研究[D]. 何珍珍. 华南理工大学, 2017(07)
- [10]三维纳米氧电极的构建及其电催化性能研究[D]. 王杰. 华中科技大学, 2017(10)