NbC(001)表面负载的9～11族金属单原子及单原子层催化剂的模拟与设计

发布时间：2024-03-30 00:14

　　当前,环境污染和能源危机等问题日益严峻,对社会发展和人类的生活产生了极大影响,因此寻找低成本、无污染、可持续发展的新型能源迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其高发电效率和低污染排放而备受瞩目,被认为是未来便携能源站和交通工具中潜在的能源装置。传统的PEMFCs催化剂是Pt/C型纳米催化剂(即金属Pt负载于碳黑表面),但这类催化剂存在碳黑易在电化学环境中被腐蚀及表面金属Pt的化学稳定性较弱且价格昂贵等不足,因而寻找价格低廉、化学稳定性和催化活性高的“代催化剂”是解决生产实际问题的关键。使用过渡金属碳化物作为衬底材料负载金属单原子及单原子层催化剂的设计方案,有望替代传统催化剂,并解决PEMFCs催化剂中的存在的问题。本文以碳化铌(NbC)为研究对象,采用了第一性原理和密度泛函理论方法,选取其最稳定的非极化的(001)表面为催化剂基底,先后负载了9～11族金属单原子及金属单原子层催化剂,并通过不同的筛选标准,拟挑选最优催化剂。同时以Pt(111)为参考,对比了NbC(001)催化剂、NbC(001)表面负载的Pt和Pd单层催化剂对氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)的催化活...

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【部分图文】：

图3-1(a)纯净的NbC(001)表面模型与(b)过渡金属负载的M/NbC(001)表面模型的（正视图及侧视图）

分别如图3-1(a)-(b)所示。

图3.2(a)9～11族金属单原子在NbC(001)表面的吸附能(ads,eV)，(b)表面金属单原子的密里根电荷数目(QM),单位为电子电荷(e)，正值表示金属失电子，负值代表金属得电子

为进一步了解金属单原子与衬底之间的相互作用情况，我们计算分析了不同体系密里根电荷情况[45]。如图3-2(b)所示，金属单原子在衬底表面得失电荷的情况与其被附强度之间存在很强的关联性，即：对于第九族和第十族金属单原子而言，原子所得荷量与它们在衬底表面的吸附能具有相同的规律性趋势。

图3.39～11族金属单原子在NbC(001)表面的d-带中心位置排布图，图中0.0eV处为费米能级（Ef）

金属单原子在NbC(001)表面的d-带中心位置排布图，图中0.0eV处为的位置知，在单原子尺寸下，过渡金属的d-带是不连续的，因此使用d道理论作为辅助，预测单原子催化剂的化学活性会更具有说服力

图3-4M/NbC(001)型催化剂的态密度和吸附金属与孤立O2分子的前线分子轨道分布图

bC(001)型催化剂的态密度和吸附金属与孤立O2分子的前线分子bC(001)负载的金属单原子催化剂活性的因素节的结论，不同的金属单子催化剂的催化活性有很大的单原子基本特性，笔者认为，催化活性的差异可能取决方面的差异和金属原子电负性(E-N)的不同。功函数与束缚能力的物理....

本文编号：3941516