电池负极材料Ti3C2M2MXene表面修饰及Li存储能力的第一性原理计算研究

Ti3 C2是一种具有较好Li存储能力的电池负极材料,表现为金属导电性,具有较好的循环使用率和低的迁移势垒等优点.本研究采用密度泛函理论(DFT),运用第一性原理计算了多种表面基团作表面修饰结构的电子性能.本研究选取九种表面基团,分别是卤族F、Cl,氧族O、S、Se、Te,等相对分子质量OH、NH2、CH3.表面基团吸附设计了三种方法:Ti(2)上方吸附、C上方吸附、Ti(1)上方吸附,计算结果表明,同一种表面基团中的Ti(2)上方吸附具有更低的体系总能量E0,结构表现更加稳定.而在同一组中质量分数小的基团及原子数少的基团,电子性能越好,有更好的电子传输性能.最终对比表面基团F、O、OH的结合能,分别是-5.37 eV、-4.96 eV、-5.00 eV,F基团的结合能最低,表现为最好的结构稳定性,而Ti3 C2 O2具有最大的开路电压0.44 eV和最高的Li存储容量268.61 mA·h·g-1.     

用于电催化氧还原制备双氧水的催化剂的研究进展

H2 O2及其水溶液双氧水具有强氧化性,被广泛应用于造纸、污水处理和消毒等方面.全球对H2 O2的需求量与日俱增,但传统的蒽醌法工艺复杂、成本高、效率低,氢氧直接合成法又存在很大的安全隐患.因此,电催化氧还原这种新型、绿色且安全的原位合成H2 O2方法近年来受到广泛关注.氧还原反应(ORR)是多电子反应,中间体复杂且难以测量,机理研究困难.ORR存在两种竞争的反应路径,两电子路径得到H2 O2,而四电子路径生成H2O.两电子氧还原反应(2e-ORR)的反应效率取决于催化剂的活性、选择性和稳定性.目前贵金属基催化剂(如Au、Pd)对2e-ORR显示出较好的催化性能,但昂贵、稀缺的特性限制了它们的广泛应用.当前关于电催化氧还原制备H2 O2所用催化剂的研究主要集中于三方面:(1)减少贵金属的负载.将惰性金属与活性金属相结合,得到了许多性能优异的合金材料,如Pt-Hg等.(2)发展非贵金属催化剂.碳基催化剂的缺陷、表面氧官能团(C=O、C-O等)、杂原子掺杂(N-、S-等)和过渡金属掺杂(Co、Fe等)都能够提高H2O2的选择性与催化活性.(3)发展非贵金属复合催化剂.非贵金属复合物催化剂(如MnO2/C、CoS2/C)可促进电子转移,提高H2 O2的选择性.本文系统介绍了2e-ORR的机理及测试方法,简要总结了近年来用于2e-ORR制H2 O2的贵金属基催化剂、碳基催化剂和非贵金属复合催化剂的研究进展,并在此基础上对电催化氧还原制双氧水未来的研究方向进行了展望.     

磷氮掺杂石墨烯层封装FeP纳米颗粒的增强ORR催化性能

开发高效的非贵金属氧还原反应(ORR)催化剂来替代铂基催化剂受到了广泛关注.设计合成在碱性电解质和酸性电解质中均表现出高催化活性的非贵金属催化剂仍然是一个挑战.在本文中,我们通过前驱体热解法制备了一种纳米复合催化剂(FeP@PGL),该催化剂由氮掺杂的碳纳米片以及镶嵌在片层上的磷掺杂石墨烯层封装磷化铁(FeP)纳米颗粒组成.FeP@PGL催化剂表现出优异的ORR催化性能,在碱性介质中的起始电位和半波电势分别高达1.01 V和0.90 V vs.RHE;在酸性介质中的起始电位和半波电势分别高达0.95 V和0.81 V vs.RHE.通过详细的电子显微和谱学表征,我们发现碳纳米片基质与包裹纳米颗粒的碳包裹层存在组成的差别,磷掺杂主要发生在包裹FeP纳米颗粒的石墨烯层上.封装的FeP纳米颗粒与外层磷掺杂石墨烯层之间存在界面电荷转移,并且通过界面相互作用降低了催化剂表面的功函数.FeP和磷掺杂石墨烯层之间的界面协同作用对于增强催化剂ORR活性至关重要.本文不仅证明了封装型FeP基纳米复合催化剂在氧还原反应上的应用价值,而且为界面电荷转移效应及其在ORR过程中的作用提供了实验证据.     

TiCl4和O2在金红石型TiO2(110)表面的吸附机理

基于密度泛函理论(DFT)中广义梯度近似(GGA)下的BLYP、PBE泛函,研究了TiCl_4、O_2在金红石型TiO_2(110)晶胞表面上不同位点的吸附,以及TiCl_4和O_2分子共吸附后在最稳定吸附构型上的解离过程。结果表明,O_2分子在TiO_2(110)晶胞表面上最稳定的吸附位点为氧空位,O_2分子吸附在氧空位后,其中一个O原子与Ti5c原子成键形成桥位氧(O_(bri));另一个O原子形成O增原子(O_(ada)),吸附能为-11.58 kJ/mol,Mulliken电荷布居分析表明O_2分子向表面转移了0.12 eV电荷;TiCl_4分子在TiO_2(110)晶胞表面上最稳定的吸附位点为桥氧位,吸附能为-48.64 kJ/mol,Mulliken电荷布居分析表明TiCl_4分子向晶胞表面转移了0.26 eV电荷;TiCl_4与O_2在各自最佳的吸附位上吸附后,TiCl_4分子在O增原子(O_(ada))的作用下按—TiCl_4→—TiCl_3→—TiCl_2→—TiCl的主要路径发生解离,在TiCl_4分子解离过程中,正反应方向上的活化能垒均小于逆反应方向上的活化能垒,说明TiCl_4分子的解离过程为放热反应。     

杂原子掺杂碳材料在直接甲醇燃料电池催化剂中的研究进展

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是解决能源短缺和环境污染问题的清洁能源之一。甲醇氧化反应(MOR)和氧还原反应(ORR)是DMFCs重要的电极反应，然而其迟缓的动力学过程严重制约其商业化进程。碳材料因具有低成本、高比表面积、发达的孔结构而备受关注。杂原子(氮、硫、磷、硼等)掺杂不仅有助于改善碳的表面惰性来提高导电性能和增加缺陷位点，还能通过强化金属-载体间相互作用提高电化学活性。因此，研发杂原子掺杂碳材料作为ORR催化剂和MOR催化剂载体对推动DMFCs的商业化具有重要意义。综述了杂原子掺杂碳材料常见的制备方法及其在ORR和MOR领域的研究进展，并展望多组分共掺杂、材料稳定性的提升及催化机制的深入剖析是未来研究的方向。     

钴,氮共掺杂多孔炭用于高性能氧还原电催化剂

钴和氮共掺杂炭催化剂(Co-NC),由于成本低廉和资源丰富而备受关注,但其低的氧还原反应(ORR)活性和对氧气的双电子(2e-)还原生成H2O2的高选择性,进一步影响了其在燃料电池中的应用.因此,Co-NC催化剂是通过在650、750和850℃下热解CoCl2和壳聚糖的混合物(用ZnCl2预处理),然后用HNO3洗涤并...     

通过顺序超声雾化和热解法规模化制备高效单原子铁氮碳电催化剂

燃料电池中氧还原反应(ORR)目前面临的主要挑战是如何大规模生产高效、耐用、廉价的单原子催化剂.针对这个问题,我们开发了一种通用的策略,即利用简单的超声雾化耦合热解和煅烧过程来大规模合成单原子FeNC催化剂(FeNC SACs).通过微观结构表征发现,活性中心位于与四吡啶N原子螯合的单原子Fe位点.具有特定可识别的、不...     

纳米TiO2-Cu2O可见光下光催化降解活性艳红及其机理研究

采用钛酸丁酯水解和肼还原醋酸铜的方法制备出TiO2-Cu2O复合氧化物,研究了TiO2-Cu2O复合光催化剂在可见光照射下光催化降解活性艳红X-3B的性能,考察了催化剂组成、催化剂投加量、溶解氧、H2O2等对光催化反应的影响,探讨了Cu2O及TiO2-Cu2O光催化降解有机污染物的机理。结果表明,由于TiO2和Cu2O之间存在协同作用,使得复合氧化物的活性比单一的Cu2O高。Cu2O光催化的氧化物种为·OH和光生空穴。光生电子(e-)还原吸附在Cu2O表面上的氧,产生超氧阴离子,然后再进一步生成·OH,光生空穴(h+)无法直接将吸附在Cu2O表面的OH-氧化成·OH。     

黑磷负载的单原子催化剂用于电催化N2还原

设计和开发高选择性、高活性的单原子电催化剂是实现在常规环境条件下合成氨的关键.本论文利用密度泛函理论对P配体在N₂还原反应(NRR)中的应用前景进行了预测,并且提出了一种高性能NRR单原子催化剂的设计准则.理论计算结果显示, W@BP(0.40 eV)、Ta@BP(0.47 eV)和Nb@BP(0.53 eV)由于具有低反应自由能、高稳定性和导电性,在高效电催化NRR中潜力巨大.特别是,几乎所有金属中心对*N₂中间体的吸附能力都比*H更强,这表明以P为配体的单原子催化剂具有较强的NRR选择性,且*N₂H中间体的吸附自由能可作为描述符,反映这一系列催化剂的催化活性.此外,计算结果显示,金属中心向P配体转移的电子数目与NRR活性存在着火山关系,带有适度正电荷的金属中心具有优异的电催化NRR活性.该发现为高性能单原子催化剂的设计提供了理论指导.     

用于氧还原反应的碳基负载金属单原子催化剂研究进展

燃料电池能够将化学能转化为电能,是一种绿色高效的能量转换装置,但是受到阴极氧还原反应(ORR)动力学迟缓的限制,燃料电池需要使用Pt等贵金属作为催化剂,这就导致其成本显著增加.碳基负载单原子催化剂(C-SACs)展现出高原子利用率和高选择性等优异性能.另外,C-SACs在不同pH环境下都显示出优异的ORR催化活性,被视...