CO,O和OH在Pt基合金表面的吸附和B12N12储氢的密度泛函理论研究

摘要

本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了CO，O，OH在Pt基合金表面的吸附行为，为质子交换膜燃料电池电极材料的设计和应用提供了理论参考;此外，研究了Li原子修饰的B12N12笼子的储氢行为。主要结论如下:
　　 一、研究了CO在Pt％(111)，Ni(111)和六种结构的Pt/Ni合金(Pt3Ni(111)，PtNi(111),PtNi3(111),Pt(111)-skin-Pt3Ni(111),subsurface,surface)表面上的吸附行为，包括吸附能，吸附构型等，结果表明在上述合金表面上CO的吸附强度顺序是subsurface＜Pt(111)-skin-Pt3Ni＜Pt3Ni(111)＜PtNi(111)＜Pt(111)＜PtNi3(111)＜Ni(111)＜surface，即subsurface对CO的吸附作用最弱，因此推断它对CO有一定的抵抗能力;
　　 二、研究了O和OH在Pt/Ni合金表面上的吸附行为、d带中心能量(εd)、局域态密度(LDOS)以及稳定性(△U)，计算结果表明，subsurface(111)结构对O和OH的吸附作用最弱，并且吸附能和εd成线性相关;由LDOS分析发现，这可能是由于subsurface(111)表面的εd远离费米能级引起的;并且发现在没有O原子和有O原子吸附的情况下，subsurface(111)吸附面都是最稳定的;
　　 三、研究了O原子在3d过渡态金属(M=Co，Cr,Fe，Ni，Mn，Ti，V,Sc)掺杂的Pt3M(111)，Pt(111)-skin-Pt3M和Pt(111)-subsurface表面上的吸附行为，结果表明，除了Cr和V以外，上述合金对O的吸附强度顺序是Pt(111)-subsurface＜Pt(111)-skin-Pt3M＜Pt3M(111);
　　 四、研究了B12N12的内部储氢和Li掺杂的LiB12N12的外部储氢行为，结果发现B12N12的内部最多可以储存5个氢分子，B12N12外围最多可以修饰3个Li原子，每个Li原子上可以吸附3个氢分子，笼子外围还可以吸附两个氢分子，因此，Li3B12N12的最大储氢量可以达到9.1wt.％。

目录

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摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池的研究进展与现状

1．2．1 燃料电池简介

1．2．2 PEMFC的工作原理

1．2．3 PEMFC的技术问题

1．2．4 PEMFC催化剂的研究现状

1．3 (BN)n材料储氢的研究进展和现状

1．3．1 (BN)n材料的结构特点

1．3．2 (BN)n材料储氢的研究现状

1．4 理论方法介绍

1．4．1 Hartree-Fock近似

1．4．2 密度泛函理论(DFT)

1．4．3 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)

1．5 本论文的主要工作

1．5．1 Pt／Ni二元合金催化剂的设计与研究

1．5．2 (BN)12储氢的密度泛函理论研究

第二章 CO在金属及合金表面吸附行为的密度泛函理论研究

2．1 引言

2．2 计算方法与细节

2．3 理想模型及参数

2．3．1 晶格常数优化

2．3．2 Slab模型

2．3．3 Slab模型的电子结构

2．4 计算方法验证

2．4．1 CO的性质测试

2．4．2 计算方法的可靠性验证

2．5 CO在Pt／Ni合金表面上的吸附行为

2．5．1 CO在Pt(111)和Ni(111)表面上的吸附行为

2．5．2 CO在Pt／Ni合金表面上的吸附行为

2．6 本章小结

第三章 O，OH在金属及合金表面吸附的密度泛函理论研究

3．1 引言

3．2 计算方法和计算模型

3．3 O原子的表面吸附

3．3．1 O原子在Pt(111)和Ni(111)面上的吸附行为

3．3．2 O在Pt／Ni合金表面上的吸附行为

3．4 OH的表面吸附

3．4．1 OH在Pt(111)和Ni(111)面上的吸附行为

3．4．2 OH在Pt／Ni合金面上的吸附行为

3．5 合金表面的电化学结构

3．5．1 d-带中心(d-band center)能量对吸附作用的影响

3．5．2 态密度计算

3．6 合金的稳定性

3．7 本章小结

第四章 O吸附在过渡态金属掺杂的Pt3M(111)，Pt(111)-skin-Pt3M和Pt(111)-subsurface的密度泛函理论研究

4．1 引言

4．2 计算模型和方法

4．2．1 计算模型

4．2．2 计算方法

4．3 O在Pt3M(111)和Pt(111)-skin-Pt3M表面的吸附行

4．3．1 O在Pt3M(111)面上的吸附行为

4．3．2 O在Pt(111)-skin-Pt3M面上的吸附行为

4．3．3 O在Pt(111)-subsurface表面上的吸附

4．4 本章小结

第五章 Li修饰(BN)12储氢行为的密度泛函理论研究

5．1 引言

5．2 计算细节

5．3 Li吸附在(BN)12上的特点

5．3．1(BN)12的特点

5．3．2 Li在(BN)12上的吸附

5．4 氢在Li修饰的(BN)12上的吸附

5．4．1 氢在(BN)12笼子内部的吸附

5．4．2 氢在Li修饰的B12N12上的吸附

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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作者简介

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