《矽摻雜碳材料催化氧氣還原反應的第一性原理研究》是依託江蘇大學，由張鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：矽摻雜碳材料催化氧氣還原反應的第一性原理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張鵬
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
燃料電池陰極緩慢的氧氣還原反應是限制燃料電池性能的主要因素。設計高活性、低價格的陰極催化劑對燃料電池大規模商業套用具有非常重要的意義。針對氮摻雜碳材料吸附氧氣分子能力較弱的問題，本項目擬提出以矽摻雜為主的碳材料構建氧氣還原反應催化劑體系。基於第一性原理計算，本項目旨在研究以矽摻雜為主的碳材料催化氧氣還原反應的活性與機理，探索摻雜碳材料成分、結構與催化活性之間的關係，構建催化性能優於商業鉑電極的新型催化劑。研究擬從成分變化和結構變化兩個方面來開展，成分變化包括單元素摻雜和多元素摻雜，結構變化包括矽原子摻雜結構和碳基底維度變化兩方面的內容。通過對以矽摻雜為主碳材料微觀結構與催化活性之間物理規律的探索，為合理設計和改善氧氣還原反應催化劑提供理論依據，為燃料電池大規模商業套用提供基礎。
結題摘要
成分、結構與性能之間的關係是材料科學領域永恆的追求。針對商業鉑電極價格昂貴的問題，本項目基於異質元素摻雜碳材料構建催化劑體系，利用密度泛函理論，探究異質元素摻雜碳材料催化氧還原反應的活性與微觀機理，揭示異質元素摻雜碳材料的成分、結構與催化活性之間的關係，為催化劑最佳化設計提供理論基礎。本項目主要對三類材料進行了研究：(1) 矽摻雜碳材料。研究了矽摻雜碳納米管和石墨烯催化氧還原反應的機理與活性，確定了最優的活性位置，並揭示了曲率對催化活性的影響規律。(2) 氮摻雜碳材料。明確了氮摻雜碳材料的活性位置，並闡明了氮摻雜石墨烯量子點催化氧還原反應的尺寸效應。(3) MS4結構摻雜石墨烯及雙二硫綸金屬配合物。研究了MS4結構摻雜石墨烯及雙二硫綸金屬配合物催化氧還原反應的機理與活性，建立了成分與催化活性之間的本證關係。本項目從原子尺度理解氧還原催化反應的本質，為氧還原反應催化劑的設計提供了理論基礎，在燃料電池大規模商業套用方面有非常重要的現實意義。
