正版 燃料电池催化剂——结构设计与作用机制 陈鑫 化学工业出版

第1章绪论/001

1.1当前国内外能源状况001

1.2燃料电池的分类及特点002

1.3燃料电池的发展壁垒003

参考文献004


第2章氧还原电催化剂的结构与催化机制/005

2.1概述005

2.2催化机制的理论研究方法006

2.2.1密度泛函理论006

2.2.2第一性原理分子动力学方法010

2.3氧还原催化机理012

2.4金属催化剂催化的氧还原机理016

2.4.1纯铂016

2.4.2铂基合金020

2.4.3非铂基金属022

2.5非贵金属催化剂催化的氧还原机理024

2.5.1过渡金属大环类化合物025

2.5.2金属氧化物、氮化物、硫化物027

2.5.3导电聚合物复合催化剂029

2.5.4碳基材料030

2.6小结032

参考文献033


第3章密度泛函理论在氧还原反应研究中的应用/048

3.1概述048

3.2评估氧还原催化活性的方法049

3.2.1中间体的吸附能049

3.2.2反应势能曲线050

3.2.3由线性吉布斯能量关系计算可逆电势052

3.2.4反应能垒053

3.2.5催化剂电子结构054

3.3评估氧还原稳定性的方法056

3.3.1金属溶解电势056

3.3.2金属共聚能058

3.3.3活性中心的金属结合能058

3.4GGA不同泛函的计算度058

3.4.1孤立的氧还原物种的键长059

3.4.2孤立的氧还原物种的键解离能060

3.4.3氧还原物种在催化剂表面的吸附能061

3.4.4反应过程分析064

3.5小结065

参考文献065


第4章过渡金属-氮-碳催化剂的结构与作用机制/072

4.1概述072

4.2单核钴（铁）酞菁与双核钴（铁）酞菁073

4.2.1在酸溶液中的稳定性073

4.2.2吸附与催化机制074

4.2.3电子结构分析075

4.3钴—聚吡咯催化剂076

4.3.1钴—聚吡咯的结构稳定性077

4.3.2钴—聚吡咯的催化过程分析077

4.3.3钴—聚吡咯的尺寸效应080

4.3.4协同效应081

4.4F Co Nx（x=1～4）内嵌石墨烯催化剂084

4.4.1结构与稳定性评估084

4.4.2氧分子的吸附085

4.4.3反应过程分析087

4.5FeN4内嵌碳纳米管催化剂的尺寸效应091

4.5.1结构与稳定性评估092

4.5.2氧还原物种的吸附094

4.5.3基元反应的相对能量096

4.5.4电子结构效应097

4.6类FeNx的催化位点：FeSx结构098

4.6.1结构筛选098

4.6.2氧气分子的吸附行为分析099

4.6.3氧还原反应路径分析100

4.6.4抗中毒能力分析102

4.7金属效应与配体效应103

4.7.1金属中心及配体结构103

4.7.2吸附情况分析104

4.7.3HOMO-LUMO能隙分析105

4.8小结106

参考文献106


第5章二维碳材料的结构与作用机制/113

5.1概述113

5.2金属直接掺杂石墨烯的催化机制113

5.2.1结构与稳定性评估114

5.2.2吸附关系分析116

5.2.3反应过程及限速步骤分析118

5.3氮-氧共掺杂石墨烯的催化机制119

5.3.1掺杂位置与形成能120

5.3.2氧还原物种吸附情况比较120

5.3.3催化反应能量与能垒122

5.3.4氧还原活性起源124

5.4硼、氮掺杂的α-和γ-石墨炔的催化机制125

5.4.1硼掺杂的α-石墨炔126

5.4.2氮掺杂的α-石墨炔127

5.4.3硼、氮共掺杂的α-石墨炔127

5.4.4硼、氮分别掺杂的γ-石墨炔128

5.5小结129

参考文献129


第6章富勒烯与其他笼形材料的结构与作用机制/133

6.1概述133

6.2氮掺杂富勒烯的催化机制134

6.2.1稳定性与电荷分布134

6.2.2氧还原中间体的线性吸附关系136

6.2.3相对能量图138

6.3内嵌金属富勒烯的催化机制140

6.3.1Fen@C60（n=1～7）的结构和电子性质140

6.3.2通过吸附性能预测活性142

6.3.3抗中毒能力145

6.4富勒烯表面掺杂金属的催化机制146

6.4.1结构与稳定性147

6.4.2吸附强度比较147

6.4.3吉布斯自由能148

6.4.4线性关系与过电势152

6.5硼氮纳米笼与硅碳纳米笼152

6.5.1硼氮纳米笼的催化机制153

6.5.2硅碳纳米笼的催化机制157

6.6小结161

参考文献161


第7章金属有机骨架催化剂的结构与作用机制/168

7.1概述168

7.2Ni3(HITP 2：一种新的催化位点导致的高氧还原活性169

7.2.1Ni3(HITP 2片层材料的结构与性质169

7.2.2含氧物种在Ni3(HITP 2的吸附171

7.2.3ORR机理及活性位点分析172

7.3X3(HITP 2的结构与催化机制174

7.3.1催化活性位点的选择及含氧物种的吸附174

7.3.2氧还原路径177

7.3.3含氧物种的吸附能线性关系与活性限速步180

7.3.4相对稳定性与抗中毒能力181

7.4不同配体对MOF材料氧还原催化性能的影响183

7.4.1材料模型构建与性质184

7.4.2配体效应185

7.4.3不同活性位点的相对能量变化188

7.5小结190

参考文献191


第8章氮化碳的结构与作用机制/197

8.1概述197

8.2非金属原子掺杂g-C3N4的ORR活性197

8.2.1催化活性位点的选择及氧气的吸附198

8.2.2能带结构和偏态密度分析200

8.3过渡金属原子掺杂g-C3N4的催化机制203

8.3.1结构与稳定性203

8.3.2氧还原中间产物的吸附203

8.3.3氧还原路径及相对能量变化205

8.4小结208

参考文献208


第9章载体增强作用/213

9.1概述213

9.2石墨烯负载的Au纳米团簇与O2分子相互作用213

9.2.1Aun团簇在N掺杂的石墨烯上的吸附性质214

9.2.2O2在N掺杂石墨烯负载Aun团簇上的吸附性质215

9.2.3Aun团簇结构稳定性的改变219

9.3氧气在缺陷石墨烯负载的铂纳米粒上的吸附220

9.3.1Pt13纳米粒子与缺陷石墨烯之间的相互作用220

9.3.2氧气在Pt13-缺陷石墨烯上的吸附作用222

9.4载体225

9.5小结228

参考文献228


第10章结论与展望/235

陈鑫，西南石油大学化学化工学院教授，北京工业大学博士，北京大学博士后，现为西南石油大学化学化工学院院聘教授，硕士生导师，能源转换与催化课题组负责人。主要从事能量转换与储存（燃料电池、锂电池）、能源催化、理论与计算化学等领域的科研工作。近年来主持或参与国家自然科学基金项目4项；在Nano Energy，Applied Catalysis B，Journal of Materials Chemistry A，Carbon，Small等国际期刊上发表SCI论文50余篇，总影响因子超过200。

《燃料电池催化剂——结构设计与作用机制》共10章，在概述了国内外能源状况和燃料电池的分类、特点、发展壁垒的基础上，详细介绍了氧还原电催化剂的结构与催化机制、密度泛函理论在氧还原反应研究中的应用、过渡金属-氮-碳催化剂的结构与作用机制、二维碳材料的结构与作用机制、富勒烯与其他笼形材料的结构与作用机制、金属有机骨架催化剂的结构与作用机制、氮化碳的结构与作用机制及载体增强作用，对燃料电池催化剂的研究情况进行了总结，并展望了未来的发展方向。

本书具有较强的专业性和先进性，可供从事电催化、燃料电池及相关领域科学研究和技术研发的专业人员参考，也可供高等学校化学类、能源类、材料类等专业的师生参阅。

1.创新性，利用计算模拟的方法对新型氧还原催化剂进行结构设计，从分子水平研究催化剂。

2.先进性，寻找且价格低廉的氧还原催化剂可推进燃料电池发展。

3.专业性，基于量子力学方法的密度泛函理论，通过计算来实现对新型催化剂的理性设计和性能调控。