【计算材料】内蒙古科技大学郭瑞华教授:Pt3Co高指数晶面氧还原过程

科技   2024-09-23 15:48   上海  

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原文DOI:10.15541/jim20240296


引用本文:

LIU L, GUO R H, WANG L, et al. Density Functional Theory of Oxygen Reduction Process on Pt3Co High-index Facets. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20240296.

2022~2023年  分领域虚拟专辑

内容介绍


Pt3Co催化剂是Pt基合金中氧还原反应(ORR)活性最高的催化剂,合成Pt3Co高指数晶面(HIFs)是一种提高其催化性能的有效策略,但拥有最高ORR活性的HIFs尚未明确,并且目前缺乏对Pt3Co HIFs ORR的系统研究。

Pt3Co原胞及六个Pt3Co HIFs的表面模型

内蒙古科技大学郭瑞华教授团队构建了六种不同Pt3Co HIFs,通过从头算分子动力学(AIMD)计算证明了其稳定性,通过密度泛函理论(DFT)计算了六种Pt3Co HIFs在ORR过程中*O、*OH、*OOH的结合能(BE),通过d带中心(εd)、Bader电荷及配位数(CN)解释了其在台阶(terrace)与边缘(edge)位点BE不同的原因。同时分析了吸附原子CN与εd的关系,通过ORR自由能台阶图分析了ORR过程中的过电位(η),发现η大小主要与*OH结合能(BE-*OH)有关,其中η最小的晶面为Pt3Co(211)晶面,Pt3Co(211)terrace处的η达到了0.294 eV。本工作为高ORR活性HIFs催化剂研发提供了一定的理论依据。

(a)HIFs台阶和边缘位置示意图;(b)*O、*OH、*OOH在Pt3Co(211)边缘处的最佳吸附构型

本文亮点


1. 本研究系统计算了不同Pt3Co HIFs表面的ORR过程,依据微面标记法选取了六个Pt3Co HIFs,构建的Pt3Co HIFs通过表面能及AIMD计算证明了其稳定性。

ηORR与BE-*OH的关系图(a)Edge;(b)Terrace;(c)六个HIFs吸附原子εd和CN的关系

2. 采用范德华矫正的密度泛函理论计算了Pt3Co HIFs 边缘处和台阶处*O、*OH、*OOH的BE,通过Bader电荷、εd、CN解释了*O、*OH、*OOH在台阶处BE低于在边缘处的原因,同时讨论了不同HIFs CN与εd的关系。

Pt3Co HIFs催化剂在台阶处ORR自由能变化图

3. 通过绘制ORR过程自由能台阶图,得到了不同HIFs的η,发现η的大小主要与BE-*OH有关。在台阶处的η低于在边缘处的η,而且在台阶处的原子远多于在边缘处的原子,这也是HIFs ORR活性高的原因。Pt3Co(211)晶面拥有最低的η,证明其拥有最高的ORR活性。

同行评议


1. 作者基于质子交换膜燃料电池中阴极催化剂ORR存在过电位高和反应动力学缓慢的问题,利用AIMD结合DFT方法模拟研究了高性能Pt3Co催化剂中不同高指数晶面的ORR过程,该研究具有一定的创新性。

2. 本研究通过DFT计算了六中Pt3Co高指数晶面氧还原催化剂催化氧还原过程中结合能数值,解析了催化剂在不同位点结合能的区别原因,获得了ORR过程的过电位,为高活性氧还原催化剂的构建提供了基础参考。

作者简介


通讯作者:郭瑞华,女,博士,教授,博士生导师,内蒙古科技大学材料科学与工程学院教师。中国能源学会专家委员,国家能源集团评标专家,国家自然科学基金评审专家,中国国际“互联网+”创新创业大赛评审专家,内蒙古自治区科技成果转移转化服务领域评审专家,内蒙古自治区教育厅学位论文评审专家,学术桥人才评审专家,包头市稀土高新区企业科技特派员,包头市应急管理局专家。Journal of Alloys and CompoundsRenewable Energy等学术期刊审稿人。主要从事新能源材料的研究开发、高性能稀土纳米材料的研发及其工业化应用研究,主持了国家自然科学基金、内蒙古自治区科技技术攻关项目、内蒙古自治区“草原英才” 工程专项基金、内蒙古自然科学基金等多项科研项目。

E-mail: grh7810@163.com

第一作者:刘磊,内蒙古科技大学材料科学与工程学院研究生。研究方向为燃料电池高指数晶面催化剂第一性原理计算。

E-mail:1371281920@qq.com

期刊介绍


《无机材料学报》创刊于 1986 年,主要报道包括结构陶瓷材料、信息功能材料、能源与环境材料、生物材料等方面的最新研究成果 , 设有综述、研究论文和研究快报(英文)版块,目前已被SCI-E、EI、Scopus、CA、CSTPCD、CSCD、CNKI、CJCR等数据库收录,入选 “高质量科技期刊分级目录——材料科学-综合类”T1区和“无机非金属领域高质量科技期刊分级目录” T1区期刊。

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