氮化钛及铜掺杂氮化钛-铂核壳催化剂电催化氧还原反应的密度泛函理论研究

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氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction,ORR)作为燃料电池理想的阴极反应很大程度地决定了燃料电池的产电效率。目前商业Pt/C催化剂是燃料电池中应用最广泛的ORR催化剂,由于其过高的ORR电位、Pt的溶解与损失等问题限制了燃料电池的全面应用。一种新型的以Ti N为核负载Pt的核壳催化剂Ti N@Pt不仅有着比传统Pt/C更高的ORR反应起始电位和更高的电化学稳定性,还能减少Pt的用量,是一种具有发展潜力的催化剂。相关研究还发现,将上述催化剂的Ti N载体用适量的铜进行掺杂后再合成的Ti0.9Cu0.1N@Pt的ORR性能会进一步提升。但是,Ti N载体与Cu掺杂的Ti N载体对Pt的ORR活性提高的机理尚不清晰。本文搭建了分别能代表Ti N@Pt与Ti0.9Cu0.1N@Pt催化剂的Ti N/Pt与Cu-d-Ti N/Pt模型,使用密度泛函理论(DFT)研究了Ti N与Cu掺杂Ti N对表面的Pt电子结构的影响。通过Ti-Pt键负载在Ti N(111)表面或Cu掺杂的Ti N(111)表面的单层Pt(111)的d带中心比常规的Pt(111)更低,预示着Ti N(111)和Cu掺杂Ti N(111)对单层Pt(111)表面反应性的削弱,有利于ORR活性的提高。计算得到了Pt(111),TiN/Pt以及Cu-d-Ti N/Pt表面上ORR的自由能图。与Pt(111)表面相比,Ti N/Pt与Cu-d-Ti N/Pt表面的*OOH能在更高的电位下生成,令ORR在更高电位下开始发生。Ti N/Pt表面的*O剥离能在更高电位下发生,对Ti N/Pt的铜掺杂能使*O的最高剥离电位继续升高,使得Cu-d-Ti N/Pt表面上的ORR性能进一步提升。限制Ti N/Pt表面ORR性能的因素在于*OH的较强吸附,而铜的掺杂可以改善这一缺点,削弱*OH的吸附,使得Cu-d-Ti N/Pt表面的ORR性能进一步提高。热力学角度上,Ti N/Pt表面ORR性能应高于Pt(111),采取简化的Cu-d-Ti N/Pt的计算结果虽与实验结果有偏离,但所体现的Cu掺杂的作用符合我们对高ORR性能的特征预期。计算了TiN/Pt与Pt(111)表面上各ORR基元反应的活化能,发现除Pt(111)上的*O2+*H→*OOH反应的活化能略低于Ti N/Pt上的活化能外,其他所有反应在TiN/Pt上的活化能均低于Pt(111)上的活化能。两催化剂ORR的控速步骤均为*O+*H→*OH,控速步骤在Ti N/Pt表面上的活化能远远低于Pt(111)。整体ORR速率在Ti N/Pt表面比Pt(111)表面更高,与实验中塔菲尔斜率结果相一致。
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