北京邮电大学出版社

在众多化学反应中，氧还原反应、氮还原反应、析氢反应和析氧反应等是发生在燃料电池、氮还原合成氨以及水分解等电化学过程中的重要的化学反应。为了加快化学反应速率并提高电荷利用率，人们在电极表面使用电催化剂，因此，高效催化剂的设计和催化反应机理的研究成为电催化研究的重点课题。本书以第一性原理计算为主要研究方法，探讨催化活性位点局域化学环境的改变对催化性能的影响。据此，本书提出了多种催化剂模型，主要涉及以二维氮掺杂石墨烯和gC3N4为基质的单金属原子和双金属原子催化剂，通过对催化位点局域化学环境的横向与纵向调节，研究其在氧还原反应和氮还原反应中的催化性能和反应机理。

目录介绍

目录

第1章密度泛函理论基础1

1.1量子力学基础理论1

1.1.1薛定谔方程1

1.1.2玻恩奥本海默近似2

1.1.3单电子近似3

1.2密度泛函理论4

1.2.1KohnSham定理4

1.2.2KohnSham方程4

1.2.3交换关联能泛函5

1.2.4贋势理论与第一性原理赝势平面波方法6

1.3第一性原理计算软件包7

本章参考文献8

第2章第一性原理计算在电催化
研究中的应用10

2.1电催化反应机理11

2.1.1析氢反应11

2.1.2析氧反应11

2.1.3氧还原反应12

2.1.4氮还原反应13

2.2电催化反应中第一性原理计算的处理方法14

2.2.1吸附能14

2.2.2差分电荷密度15

2.2.3态密度15

2.2.4Bader电荷布居15

2.2.5晶体轨道哈密顿布居15

2.2.6过渡态15

2.2.7吉布斯自由能16

本章参考文献16

第3章双金属原子催化剂中
活性位点的局域调节20

3.1氮配位同核双金属原子ORR催化剂21

3.1.1催化剂模型21

3.1.2计算细节21

3.1.3性能分析22

本节小结28

3.2氮配位异核双金属原子ORR催化剂29

3.2.1催化剂模型29

3.2.2计算细节30

3.2.3催化性能分析31

本节小结45

3.3非金属原子配位同核双金属原子NRR催化剂45

3.3.1催化剂模型46

3.3.2计算细节47

3.3.3催化性能分析49

本节小结57

3.4非金属原子配位异核双金属原子NRR催化剂57

3.4.1催化剂模型58

3.4.2催化性能分析58

本节小结69

本章参考文献69

第4章单原子催化剂中活性位点的局域调节78

4.1短程非金属伴随的单金属原子ORR催化剂78

4.1.1催化剂模型78

4.1.2计算细节80

4.1.3催化性能分析81

本节小结91

4.2长程非金属伴随的单金属原子ORR催化剂92

4.2.1催化剂模型92

4.2.2计算细节93

4.2.3筛选方法93

4.2.4催化性能分析94

本节小结102

4.3以gC3N4基为基质的非金属伴随的
单金属原子NRR催化剂103

4.3.1催化剂模型103

4.3.2计算细节105

4.3.3催化性能分析105

本节小结113

本章参考文献113

第5章异质结构中催化位点的垂直调节120

5.1催化剂模型121

5.2计算细节122

5.3MN4@GraHEA催化剂的稳定性123

5.4高性能催化剂的筛选及其反应自由能曲线124

5.5标度关系与活性火山图127

5.6溶剂化效应129

5.7高熵合金表面的金属原子分布及配比对催化剂性能的影响130

本节小结134

本章参考文献134

第6章总结与展望139