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《吉林大学》 2018年
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甲醇在Al_(12)N_(12)纳米笼上氧化和分解反应机理的理论研究

张丹丹  
【摘要】:近年来,直接甲醇燃料电池(DMFC)被认为是一种高效、低污染的可再生清洁能源,它具有很多优良的特性,如在室温下能快速启动、对环境友好、燃料来源丰富以及能量密度高等优点。甲醇的催化分解是直接甲醇燃料电池中关键反应步骤之一,因此寻找一种有效、稳定的阳极催化剂更是重中之重。在众多甲醇燃料电池阳极催化剂中,类富勒烯结构引起了越来越多的科学研究人员的注意,它独特的物理和化学性质在许多方面都有潜在的应用。本文我们选用类富勒烯Al_(12)N_(12)和Al_(12)N_(12)Pt纳米笼作为直接甲醇燃料电池的阳极催化剂,来模拟甲醇的分解和氧化过程。文章中采用密度泛函理论(DFT)研究了在Al_(12)N_(12)和Al_(12)N_(12)Pt纳米笼表面上甲醇的吸附、脱氢和氧化反应。在阳极催化层上,甲醇溶液主要和水氧化成二氧化碳、电子和质子。电极反应式为CH_3OH-6e~-+H_2O→6H~++CO_2。由反应式可以看出,水作为反应物参与阳极的氧化反应,所以我们同时还研究了在催化剂表面上水的吸附和分解。结果表明,铂金属原子可以封装在Al_(12)N_(12)纳米笼内形成Al_(12)N_(12)Pt纳米笼电催化剂。优化后的几何结构显示甲醇和水分子都更倾向于吸附在笼中铝原子的上方。甲醇在表面有两种分解过程。一种是从O-H键断裂(途径I)开始,另一种从C-O键断裂(途径II)开始。计算结果得出,与甲醇第一步分解反应中C-O键断裂相比,O-H键的断裂被认为是最有利的甲醇初始分解途径。此外,我们优化确定了所有中间体、过渡态和最终产物的反应能垒和反应能等几何结构参数。通过对甲醇分解氧化的吸附能和反应能垒等相关数据进行分析,与Al_(12)N_(12)笼催化剂相比,Al_(12)N_(12)Pt催化剂对甲醇催化分解的吸附能和能垒值略有降低,没有较大的竞争优势。尽管如此,内嵌了Pt原子的Al_(12)N_(12)笼型的电催化剂可以使整个催化循环能量变化趋于平缓。总而言之,Al_(12)N_(12)和Al_(12)N_(12)Pt纳米笼可以作为有效的催化剂,实现甲醇分子的氢分离,并将一氧化碳分子氧化成二氧化碳分子。希望本文的研究结果可以为直接甲醇燃料电池阳极催化剂材料的设计和开发提供一定的参考价值。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM911.4;TQ426

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