掺杂型碳基催化剂设计及机理

本专著深入探讨了催化在能源、环境、化学工业等多个领域的关键作用，并强调了开发高效、低成本催化剂的紧迫性。当前，贵金属催化剂在氧还原、氧析出和CO 氧化等反应中占据主导地位，但成本高、稀缺性等问题限制了其大规模应用。因此，本专著着重介绍了通过密度泛函理论计算研究的四类新型掺杂型碳基催化剂，详细探讨了其活性位点、吸附行为和反应机理，并揭示了它们在催化常见反应中的高效性能。这一研究不仅丰富了碳基催化剂的理论体系，也为实验研究和工业应用提供了宝贵参考，有望推动碳基催化剂在能源转换和化学反应中的广泛应用，助力可持续发展和环境保护。

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第1章绪论001 1.1引言002 1.2氧还原反应概述005 1.2.1氧还原反应的应用及研究意义005 1.2.2氧还原反应的基本原理005 1.2.3用于氧还原反应的掺杂型碳基催化剂006 1.3氧析出反应概述008 1.3.1氧析出反应的应用及研究意义008 1.3.2氧析出反应的基本原理009 1.3.3用于氧析出反应的掺杂型碳基催化剂009 1.4CO 氧化反应概述011 1.4.1CO 氧化反应的应用及研究意义011 1.4.2CO 氧化反应的基本原理011 1.4.3用于CO 氧化反应的掺杂型碳基催化剂012 1.5本书的研究意义和主要内容013 第2章理论基础与计算方法016 2.1引言017 2.2量子力学基本理论017 2.2.1薛定谔方程017 2.2.2玻恩-奥本海默近似018 2.2.3单电子近似018 2.2.4Hartree-Fock 理论019 2.3密度泛函理论021 2.4过渡态理论023 2.5内禀反应坐标理论025 2.6计算氢电极模型和理论过电位027 2.7热力学活性火山图028 2.8Mulliken 电荷029 2.9d-带模型理论030 第3章杂原子掺杂富勒烯C70 用于氧还原和氧析出反应的理论研究032 3.1引言033 3.2计算方法034 3.3结果与讨论035 3.3.1杂原子掺杂C70 的构型及性质035 3.3.2ORR/OER 中间体的吸附039 3.3.3ORR/OER 性能042 3.4本章小结048 第4章Ru 和N 共掺杂空位富勒烯(Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 ) 用于氧还原和CO 氧化反应的理论研究049 4.1引言050 4.2计算方法051 4.3结果与讨论053 4.3.1Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 的构型及性质053 4.3.2ORR 和COOR 物质的吸附057 4.3.3Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 上的ORR 机理058 4.3.4Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 上的COOR 机理074 4.4本章小结080 第5章过渡金属M 和N 共掺杂空位富勒烯(M-N4-C64，M= Fe、Co 或Ni) 用于氧还原反应的理论研究082 5.1引言083 5.2计算方法085 5.3结果与讨论085 5.3.1M-N4-C64 的构型及性质085 5.3.2M-N4-C64 的电子结构分析087 5.3.3ORR 物质的吸附089 5.3.4M-N4-C64 上的ORR 机理091 5.3.5势能面(PES) 和相对能量曲线104 5.4本章小结106 第6章铁原子掺杂石墨氮碳化物作为氧还原电催化剂的理论研究108 6.1引言109 6.2计算方法110 6.3结果和讨论111 6.3.1g-C3 N4、Fe/g-C3 N4 和吸附氧在Fe/g-C3 N4 上的构型及性质111 6.3.2g-C3 N4 和Fe/g-C3 N4 的电子结构分析114 6.3.3ORR 物质的吸附和活性位点117 6.3.4吸附氧在Fe/g-C3 N4 上的氢化119 6.3.5OOH*在Fe/g-C3 N4 上的ORR 机理121 6.3.6势能面(PES) 和相对能量曲线126 6.4本章小结127 第7章结论与展望129 参考文献133