硅掺杂碳材料催化氧气还原反应的第一性原理研究

The sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction at the cathode is one of primary obstacles limiting the performance of fuel cells. The design of high activity and low prices cathode catalyst has very important significance for large-scale commercial application of fuel cells. In order to escape the weak adsorption of oxygen on nitrogen doped carbon materials, this work intends to propose an innovative principle to design oxygen reduction reaction catalyst better than commercial platinum catalyst: silicon doped carbon materials. Based on first principles calculations, the compositions, microstructures, mechanisms and activity for the silicon doped carbon materials, and the relationship between them will be investigated systemically. Two aspects are considered here, including composition and structure. The change of composition includes the single- and multi- elemental doping, and the variation of structure consists of the silicon doping structures and the carbon substrate dimension. The success of this work will make a significant contribution to the rational design and tuning their catalytic properties for oxygen reduction reactions.

燃料电池阴极缓慢的氧气还原反应是限制燃料电池性能的主要因素。设计高活性、低价格的阴极催化剂对燃料电池大规模商业应用具有非常重要的意义。针对氮掺杂碳材料吸附氧气分子能力较弱的问题，本项目拟提出以硅掺杂为主的碳材料构建氧气还原反应催化剂体系。基于第一性原理计算，本项目旨在研究以硅掺杂为主的碳材料催化氧气还原反应的活性与机理，探索掺杂碳材料成分、结构与催化活性之间的关系，构建催化性能优于商业铂电极的新型催化剂。研究拟从成分变化和结构变化两个方面来开展，成分变化包括单元素掺杂和多元素掺杂，结构变化包括硅原子掺杂结构和碳基底维度变化两方面的内容。通过对以硅掺杂为主碳材料微观结构与催化活性之间物理规律的探索，为合理设计和改善氧气还原反应催化剂提供理论依据，为燃料电池大规模商业应用提供基础。

成分、结构与性能之间的关系是材料科学领域永恒的追求。针对商业铂电极价格昂贵的问题，本项目基于异质元素掺杂碳材料构建催化剂体系，利用密度泛函理论，探究异质元素掺杂碳材料催化氧还原反应的活性与微观机理，揭示异质元素掺杂碳材料的成分、结构与催化活性之间的关系，为催化剂优化设计提供理论基础。本项目主要对三类材料进行了研究：(1) 硅掺杂碳材料。研究了硅掺杂碳纳米管和石墨烯催化氧还原反应的机理与活性，确定了最优的活性位置，并揭示了曲率对催化活性的影响规律。(2) 氮掺杂碳材料。明确了氮掺杂碳材料的活性位置，并阐明了氮掺杂石墨烯量子点催化氧还原反应的尺寸效应。(3) MS4结构掺杂石墨烯及双二硫纶金属配合物。研究了MS4结构掺杂石墨烯及双二硫纶金属配合物催化氧还原反应的机理与活性，建立了成分与催化活性之间的本证关系。本项目从原子尺度理解氧还原催化反应的本质，为氧还原反应催化剂的设计提供了理论基础，在燃料电池大规模商业应用方面有非常重要的现实意义。