【摘 要】
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严重的环境污染和资源匮乏问题迫切地要求我们探寻新型能源。由于环保和可再生性,氢能被视为最重要的新型能源之一。产生氢气的方法有很多,如何环保而且高效地产生大规模的氢气却是巨大的挑战。令人鼓舞的是,水的电解反应完全可以满足要求,更重要的是,反应的原材料是地球上储量丰富的水。氢化反应(HER)是水的电解反应产生氢气过程中最重要的一步,反应的效率和材料的特征密切相关。因此,开发新型、高效的催化材料成为了氢
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严重的环境污染和资源匮乏问题迫切地要求我们探寻新型能源。由于环保和可再生性,氢能被视为最重要的新型能源之一。产生氢气的方法有很多,如何环保而且高效地产生大规模的氢气却是巨大的挑战。令人鼓舞的是,水的电解反应完全可以满足要求,更重要的是,反应的原材料是地球上储量丰富的水。氢化反应(HER)是水的电解反应产生氢气过程中最重要的一步,反应的效率和材料的特征密切相关。因此,开发新型、高效的催化材料成为了氢能利用的关键问题。近年来,非层状二维材料吸引了大家的注意,由于表面具有悬空键,增加了本身的活性,因此这些材料展现出了高的催化性能。以前的研究表明,岩盐结构碳化物有着高沸点,高硬度,以及良好的抗腐蚀性和抗氧化性,这些特点均有利于它们成为良好的催化材料。因此,研究非层状的岩盐结构二维碳化物并探索其在催化方面的应用具有极其重要的意义。基于密度泛函理论,本文预测了两种非层状二维碳化物材料—TiC(100)sheet和HfC(100)sheet,并探索了它们在催化方面的应用,旨在寻找新型的具有高催化能力的二维材料。本文的研究内容主要如下:(1)系统地研究了TiC(100)sheet的稳定性。内聚能,声子散射曲线,以及势能曲线的研究结果表明,无论从能量角度,还是从热动力学角度,TiC(100)sheet都是十分稳定的。(2)系统地研究了TiC(100)sheet的催化性能。研究结果表明,两层TiC(100)sheet在1/4覆盖度下有着良好的HER催化表现(吉布斯自由能(?G_H)为0.13 eV)。进一步引入3.25%左右的双轴拉伸应变,?G_H可以降到理想值(0eV)。而多层TiC(100)sheet催化性能研究结果表明,在2/4覆盖度下,四层和六层TiC(100)sheet有着比两层TiC(100)sheet更加优异的催化表现(?G_H分别为-0.04和-0.06 eV)。(3)系统地研究了HfC(100)sheet的稳定性。内聚能,声子散射曲线,以及势能曲线的研究结果表明,无论从能量角度,还是从热动力学角度,HfC(100)sheet都是十分稳定的。(4)系统地研究了HfC(100)sheet的催化性能。?G_H的计算结果表明,两层HfC(100)sheet催化性能并不理想。但是在引入6%左右的双轴拉伸应变后,两层HfC(100)sheet在1/4和2/4覆盖度下展现出了优异的催化性能(?G_H分别为-0.003和0.08 eV)。而多层HfC(100)sheet催化性能研究结果表明,四层和六层HfC(100)sheet在2/4覆盖度下表现出了完美的催化性能(?G_H分别为-0.04和-0.07 eV)。
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