基于TM-N-C配位关系调控选择性吸附O2/N2的机理研究

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金璐雅,  王道淼,  刘美玲,  陈明伟*

江西理工大学, 材料冶金化学学部, 江西赣州 341000

摘     要: 化石燃料的大量燃烧,造成环境污染日益严重。燃料电池作为新型能量转化装置,涉及氧电催化反应,但这些反应过程复杂,过电位高,需要寻找合适的催化剂,促进反应顺利进行。氧还原反应(ORR)和氮还原反应(NRR)的反应物O2、N2都来自空气,生成物H2O、NH3是重要的化学资源。本文通过计算研究石墨烯分别锚定13种非贵过渡金属(TM)在不同N浓度掺杂情况下,对O2/N2的选择性吸附,得出结论:单空位和双空位结构中,N含量越高,基底稳定性越好,且双空位的稳定性比单空位好。重点研究了稳定性最好的ZrN4催化基底,通过穆丽肯电荷分布以及分波态密度(PDOS),发现其电荷对称分布,电子转移明显。进一步分析基底吸附O2和H2O的变形态密度,得出该催化基底吸附与脱附能力优良。除CuN0C4、ZnN0C4、CdN4C0、CdN2C2-o、ZnN2C1基底外,其余结构具有适度的反应物O2吸附能力及产物H2O脱附能力,是酸性环境ORR催化剂的潜在来源。
关 键 词: 石墨烯; 氧还原反应; 氮还原反应; 密度泛函理论; 单原子掺杂
DOI: 10.57237/j.mater.2022.02.004
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