摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种通过氢气和氧气反应生成水进而将化学能转化成电能的装置，因其具有零污染且电能转换效率高等优点而被广泛关注。然而阴极缓慢的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)严重制约了PEMFCs的发展。迄今为止，金... 展开 质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种通过氢气和氧气反应生成水进而将化学能转化成电能的装置，因其具有零污染且电能转换效率高等优点而被广泛关注。然而阴极缓慢的氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction, ORR)严重制约了PEMFCs的发展。迄今为止，金属铂(Pt)及其合金仍然是公认的最好的PEMFCs阴极催化剂。但因其寿命短、成本高、储量低且容易被CO氧化等缺点一直不能实现商业化应用。因此，寻找能取代Pt及其合金的ORR催化剂是发展PEMFCs的重要环节。近几年的研究发现杂原子掺杂尤其是金属和氮原子共掺杂碳材料具有较好的ORR催化性能且成本低、稳定性高，吸引了众多科研工作者的目光。本文基于密度泛函理论，通过计算形成能、电荷分布、过渡态和自由能等方法，系统研究了几种不同金属和氮原子共掺杂双空位石墨烯的ORR电催化活性，并对催化反应机制进行了深入探讨。本文主要研究内容如下： 1、铱(Ir)和氮原子(N)共掺杂双空位石墨烯催化剂。针对IrN4共掺杂双空位石墨烯展开ORR反应机理和自由能变化研究。从电荷转移和差分电荷密度分析得出IrN4和它相邻的十个碳原子(C)构成了催化活性位点。研究结果表明，O2在此催化剂表面为化学吸附。随后，在ORR机理研究中发现活化的O2分子可以通过三条ORR竞争反应路径完成4e-反应过程且最终生成两分子H2O。其中动力学最优路径是O2分子氢化成OOH，OOH氢化成2OH的过程。这个路径的决速步骤是OOH氢化成2OH。从自由能曲线图中可以看出，每一步的基元反应的吉布斯自由能都是负值，这说明ORR在该催化剂表面是一个自发放热的过程。结合外电势的影响，所预测该催化剂的工作电压是0.41V。 2、铁(Fe)卟啉催化剂。铁(Fe)卟啉催化剂的催化活性位点是FeN4以及与之相邻的八个C原子。反应机理研究表明该催化剂的动力学最优反应路径是O2分子氢化形成OOH，然后OOH氢化形成O+H2O的过程。动力学决速步骤是O2氢化成OOH的过程，反应能垒为0.09eV。热力学研究表明，铁(Fe)卟啉催化剂的工作电压为0.52V。 3、氧改性的钌(Ru)和氮(N)共掺杂双空位石墨烯催化剂。研究发现经过氧改性的RuN4掺杂双空位石墨烯比RuN4掺杂双空位石墨烯无论是在动力学上还是热力学都具有更好的ORR催化活性。对于氧改性的RuN4掺杂双空位石墨烯，RuN4和它相邻的八个C原子构成了催化活性位点。HOOH在该催化剂表面不能保持其稳定的化学结构，因此ORR在此催化剂表面是一个4e-转移过程。过渡态计算表明动力学最优反应路径是O2分子氢化形成OOH,然后OOH氢化形成O+H2O的过程，决速步骤为O原子氢化成OH。通过计算不同电极电势下的ORR自由能变化所预测的工作电压为0.54V。 收起