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化石燃料的巨大消耗导致了一系列环境污染和气候变化等问题,因而可持续清洁能源的合理利用就变得尤为重要。质子交换膜燃料电池具有运行安静、启动快速,能量转换效率高和无污染物排放等优点,它被认为是一种极具潜力的固定、便携式和车载应用的清洁电源。然而,由于其阴极催化剂存在成本高昂和催化活性不足等问题,使得燃料电池的商业化进程受到了阻碍。因此,开发出催化活性高以及成本低廉的新型催化剂变得尤为重要。Fe-N-C氧还原催化剂因其来源丰富、成本低廉以及较高的活性而被普遍认为是铂基贵金属最有潜力的替代品之一。本文通过密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了有少量Fe3C/Fe修饰的Fe N4以及两种Fe-N-C/MXene催化剂的氧还原电催化活性。本论文的主要内容和结果可分为如下几个部分:第一部分是以Fe N4和有少量Fe3C/Fe修饰的Fe N4为模型研究了它们的氧还原反应催化机理。利用第一性原理计算得到了其氧还原反应中氧气的吸附特性,并通过Bader电荷分析了原子的得失电子情况,发现有Fe3C/Fe团簇修饰的Fe N4催化剂,其吸附的氧原子周围会积累更多的额外电荷,从而产生相对较大的吸附能并促进氧还原反应的活性。除此之外,还计算了催化剂对氧还原反应中间体的吉布斯自由能,从而得到氧还原反应路径。研究表明催化剂的活性控制步骤发生在OH的脱附反应上,并且计算得到的过电势也表明Fe3C/Fe的修饰的确能改善Fe N4的催化活性,即Fe3C/Fe与Fe N4间具有协同效应。第二部分是以Fe-N-C/Mo2C和Fe-N-C/V2C为模型研究了其氧还原反应的催化活性。利用第一性原理计算得到催化剂对含氧中间体的吉布斯自由能,由此得到氧还原反应路径。研究表明,催化剂的活性控制步骤发生在OH的脱附反应上,并且催化剂的氧还原活性顺序为:G-Mo2C-hollow>G-Mo2C-top>G-V2C-hollow≈GV2C-top。除此以外,通过对催化剂d能带中心的分析,发现d能带中心数值越正,含氧中间体OH的脱附越困难,催化剂的催化效果越差。