密度泛函理论研究金属配合物催化氧还原及酞菁输运性质

摘要

过渡金属大环配合物如金属卟啉、金属酞菁等，由于其独特的物理化学性能，在半导体装置、能量存储材料、电子摄影术、液晶材料、电催化、非线性光学材料等领域都有广泛的应用。特别在电催化方面，金属卟啉、金属酞菁由于高的催化活性和低成本等特性而被认为是铂基催化剂的最佳替代品之一。
　　 自从1967年Jasink首次发现酞菁钴分子能有效地催化氧还原，在实验方面，金属卟啉、酞菁配合物作为成氧还原催化剂而被广泛的研究。但是到目前为止，金属大环配合物对氧还原反应的催化机理在分子层次仍缺乏深入的研究，其主要原因是反应体系的复杂性和研究手段的有限性。
　　 近年来，密度泛函理论由于高效的计算能力而被广泛的应用在研究催化反应机理的研究中。本文基于密度泛函理论研究了金属酞菁、卟啉配合物的电子结构和几何结构，从分子层次研究氧催化反应机理，发现金属酞菁（卟啉）分子的氧还原能力与中心金属原子的3d电子的能级排布密切相关，并且通过分析不同中心金属原子和不同共轭结构的电子结构与催化活性的关系解释了已有的实验结论，最后利用非平衡态格林函数理方法（NEGF）和密度泛函理论（DFT）研究了金属-单核酞菁分子-金属异质结的输运性质。本论文的具体研究内容如下：
　　 1、基于密度泛函理论研究卟啉铁、卟啉钴、酞菁铁、酞菁钴对氧分子吸附作用的差异，研究过氧化氢分子在催化剂上的稳定性差异，阐明“直接四电子反应”和“二电子反应”的本质原因。
　　 2、利用密度泛函理论研究不同中心金属原子对氧分子以及氧还原反应中间产物吸附情况的差异，得到不同中心金属原子对氧还原反应催化剂的影响舰律。
　　 3、通过研究单核酞菁铁、双核酞菁铁、一维带状酞菁铁对氧分子吸附情况的差异，以及单核酞菁铁和双核酞菁铁在酸性条件下的稳定性，得到不同共轭结构大环对催化氧还原反应的影响。
　　 4、利用“金属-分子-金属”型的异质结模型研究酞菁分子的量子输运性质，发现酞菁分子中央空腔中两个质子的位置极大的影响该异质结的电导，从理论角度阐明该分子作为分子开关的可能性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池简介

1.3 燃料电池的特点

1.4 燃料电池的分类

1.5 质子交换膜燃料电池

1.6 PEMFC电极催化剂的研究进展

1.7 金属卟啉、酞菁类化合物催化剂研究现状

1.7.1 金属卟啉、酞菁类配合物结构及电催化活性

1.7.2 金属卟啉、酞菁电催化剂氧还原机理研究

1.7.3 金属卟啉、酞菁配合物催化性能的影响因素

1.7.4 金属卟啉、酞菁配合物催化性能的理论计算研究

1.8 本论文研究内容

第2章 理论基础

2.1 引言

2.2 量子化学从头算计算方法

2.3 密度泛函理论基础

2.3.1 Hohenberg-Kohn定理：

2.3.2 Kohn-Sham方程：有效单电子近似

2.3.3 交换相关能量泛函

2.4 本论文所采用的基于密度泛函理论的计算软件包

第3章 铁系钴系金属卟啉、酞菁配合物电子结构与氧催化机理的关系

3.1 引言

3.2 计算方法和细节

3.3 结果与讨论

3.3.1 金属配合物的几何结构及电子结构

3.3.2 氧分子的吸附

3.3.3 氧还原机理分析

3.4 本章小结

第4章 中心金属原子对金属酞菁配合物催化氧还原活性的影响

4.1 引言

4.2 计算方法和细节

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同金属酞菁的几何结构和电子结构

4.3.2 中心金属原子对氧分子吸附的影响

4.3.3 氧还原机理分析

4.4 本章小结

第5章 共轭结构对铁酞菁衍生物吸附氧分子的影响

5.1 引言

5.2 计算方法和细节

5.3 结果与讨论

5.3.1 双核酞菁铁及一维带状酞菁铁的性质

5.3.2 三种不同共轭结构对吸附氧分子的影响

5.3.3 单核及双核酞菁铁在酸性条件下的稳定性比较

5.4 本章小结

第6章 单酞菁分子开关电子输运性质的理论研究

6.1 引言

6.2 计算方法与模型

6.3 结果与讨论

6.3.1 两种状态（α、β）的电流-电压关系

6.3.2 电子透射谱分析

6.3.3 分子轨道理论分析

6.4 本章小结

参考文献

结论

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢