【摘 要】
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化石能源的持续消耗导致温室效应不断地加剧以及能源缺口持续地扩大,人类对开发高效的能源转换催化剂的需求日益增大。在各种新型催化剂中,碳基单原子催化剂（SAC）因其金属原子的高利用率以及高催化活性引起了科学家的广泛关注。五边形石墨烯（PG）是一种具有独特多孔结构、优异导电性以及良好热学稳定性的二维碳基材料,能在1000 K的温度下保持自身电子结构与催化性能不变。这使PG类材料在催化和纳米电子学等领域有
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化石能源的持续消耗导致温室效应不断地加剧以及能源缺口持续地扩大,人类对开发高效的能源转换催化剂的需求日益增大。在各种新型催化剂中,碳基单原子催化剂（SAC）因其金属原子的高利用率以及高催化活性引起了科学家的广泛关注。五边形石墨烯（PG）是一种具有独特多孔结构、优异导电性以及良好热学稳定性的二维碳基材料,能在1000 K的温度下保持自身电子结构与催化性能不变。这使PG类材料在催化和纳米电子学等领域有广阔的应用前景。本文以“过渡金属-氮”结构掺杂的五边形石墨烯（PG）为研究对象,引入过渡金属（TM）原子与氮原子共掺杂五边形石墨烯,在四十种不同的掺杂结构中,我们筛选出八种具有单原子催化剂结构特征的单层材料（TM-Nx-PG,TM为Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni,X=1）。通过密度泛函理论计算单层“TM-N1-PG”在氧还原反应（ORR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）过程中的中间产物的吸附能、吉布斯自由能垒和过电位,结合电子结构分析,揭示催化剂结构与催化反应性能的内在联系。主要研究内容如下:（1）在第三章中探究单层“TM-N1-PG”对ORR反应的催化性能。结果显示,在八种催化剂之中单层Co-N1-PG的过电位为0.882V,其余七种单层催化剂的过电位均大于1.200V。理论结果表明,在八种催化剂中,Co-N1-PG与其他七种催化剂相比是一种有前景的ORR催化剂。（2）在第四章中探究单层“TM-N1-PG”对CO2还原反应的催化性能。结果表明,八种单层催化剂在CO2RR第一步质子化反应过程中均会优先还原CO2,能很好的抑制析氢反应,显示出优异的CO2RR选择性。八种单层催化剂在CO2还原反应中主要产物分别为:单层Sc-N1-PG倾向通过两电子还原路径将CO2还原为 CO,反应过电位为 0.538V;单层 Cr-N1-PG、Mn-N1-PG、Fe-N1-PG、Co-N1-PG和Ni-N1-PG则倾向通过两电子还原路径将CO2还原为HCOOH。五种催化剂还原反应的过电位均小于0.700 V,其中Co-N1-PG和Ni-N1-PG单层反应过电位分别为0.366 V以及0.335 V;单层Ti-N1-PG和V-N1-PG则倾向通过八电子还原路径将CO2还原为CH4,过电位分别为2.207 V和1.361 V。在理论上表明,在八种催化剂中,Co-N1-PG和Ni-N1-PG是极具潜力的电催化CO2还原的催化剂。本文的研究成果将为开发基于五边形石墨烯的单原子催化剂提供理论基础。
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