燃料电池催化剂：结构设计与作用机制

　　《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，最后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。

　　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。

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不同泛函的计算精确度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
4.4Fe(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