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本書以氮雜碳納米材料催化燃料電池陰極氧還原反應為主線，主要采用量子化學密度泛函理論計算方法，構建了含不同過渡金屬、不同類型氮、不同氮配位數的氮雜石墨烯模型，在電子－分子水平上研究了各種結構催化劑氧還原反應的催化機理和催化性能，分析了可能的氧還原反應機理，計算了中間涉及的所有可能的基元反應的反應能和活化能，通過比較活化能得到一條能量最低反應通道，并找到該通道的決速步驟等，獲得了體系的動力學和熱力學數據。

張靜，太原科技大學化學與生物工程學院副教授，碩士生導師， 山西煤炭化學研究所博士，物理化學專業。主要從事燃料電池能量轉化，催化機理，小原子、分子在固體表面的吸附與解離，理論計算化學等領域的研究。在Journal of Materials Chemistry A.，Journal of Power Sources，Journal of The Electrochemical Society，Journal of Molecular Modeling，Surface and Interface Analysis，結構化學，化學學報等 外學術期刊發表SCI論文20余篇。

第1章緒論1

1.1燃料電池2

1.1.1陰極氧還原反應3

1.1.2陰極氧還原反應催化劑4

1.2氮雜碳納米材料催化劑性能研究7

1.2.1主要性能7

1.2.2主要研究方法9

1.2.3主要應用及趨勢分析12

1.2.4相關政策及導向14

1.3.圖書框架結構及撰寫目的16

1.3.1框架結構16

1.3.2內容特色16

1.3.3撰寫目的17

參考文獻17

第2章理論基礎與計算方法30

2.1概況31

2.1.1Born-Oppenheimer近似32

2.1.2電子問題3

22.2理論基礎33

2.2.1Thomas-Fermi模型34

2.2.2Hohenberg-Kohn（HK）定理34

2.2.3Kohn-Sham方程35

2.2.4交換相關泛函37

2.2.5基組41

2.3計算方法43

2.3.1使用基組44

2.3.2自旋極化44

2.3.3過渡態搜索45

2.4計算參數和公式45

2.4.1計算參數45

2.4.2計算公式46

參考文獻48

第3章FeNx-G(x=2+2,4)結構催化劑性能研究52

3.1計算模型及參數54

3.2催化劑的形成能和結合能55

3.3FeN2+2-G催化劑的ORR催化機理55

3.3.1O2在FeN2+2-G表面上的吸附55

3.3.2O2分子的解離及OOH的形成57

3.3.3OOH（ads）的解離與還原58

3.3.4O（ads）和OH（ads）的還原60

3.3.5ORR催化路徑61

3.4FeN4-G催化劑的ORR催化機理64

3.4.1O2的吸附和解離65

3.4.2OOH的形成67

3.4.3OOH（ads）的還原67

3.4.4電極電勢對ORR的影響71

3.4.5ORR催化路徑72

3.5FeNx-G（x=2+2,4）結構催化劑ORR催化性能73

參考文獻74

第4章FeN2-G結構催化劑性能研究79

4.1計算參數及模型80

4.2中間體的吸附82

4.2.1氧分子的吸附82

4.2.2H2O2分子的吸附與解離84

4.2.3其他中間體的吸附85

4.2.4結構對吸附性質的影響85

4.3ORR催化機理88

4.3.1O2（ads）的解離和還原88

4.3.2OOH的解離和還原90

4.3.3O（ads）和OH（ads）的還原92

4.3.4ORR催化路徑94

4.3.5電極電勢對ORR的影響95

4.4FeN2-G結構催化劑ORR催化性能98

參考文獻99

第5章FeN3-G結構催化劑性能研究102

5.1計算參數及模型103

5.2中間體的吸附104

5.2.1氧分子的吸附105

5.2.2水分子的吸附107

5.2.3OOH的吸附107

5.2.4H2O2的吸附107

5.3ORR催化機理109

5.3.1O2（ads）的解離109

5.3.2OOH的形成111

5.3.3OOH的解離112

5.3.4OOH（ads）的還原113

5.3.5O和OH的還原11

35.4ORR路徑114

5.4.1動力學分析114

5.4.2熱力學分析115

5.5外電場對H2O分子吸附的影響116

5.5.1計算方法與模型117

5.5.2H2O分子的吸附118

5.5.3外電場對結構的影響119

5.5.4外電場對吸附能和吸附高度的影響125

5.5.5外電場對吸附體系的影響126

5.6FeNx-G的ORR性能比較127

參考文獻131

第6章CoNx-G（x=2+2,4）結構催化劑性能研究134

6.1計算參數及模型135

6.2CoN2+2-G催化劑的ORR機理136

6.2.1中間體在表面上的吸附136

6.2.2O2的解離和OOH的形成138

6.2.3四電子反應路徑139

6.2.4二電子反應路徑141

6.2.5氧還原反應機理142

6.2.6吉布斯自由能變化142

6.3CoN4-G催化劑的ORR機理143

6.3.1中間體在表面上的吸附143

6.3.2O2的解離和OOH的形成146

6.3.3四電子反應路徑147

6.3.4二電子反應路徑148

6.3.5氧還原反應機理149

6.3.6吉布斯自由能變化149

6.4ORR催化性能150

參考文獻151

第7章CoN2-G結構催化劑性能研究153

7.1計算參數及模型154

7.2中間體的吸附156

7.2.1O2的吸附156

7.2.2H2O2的吸附158

7.3ORR反應160

7.3.1O2（ads）的解離及OOH的形成160

7.3.2OOH（ads）的還原162

7.3.3H2O2（ads）的生成163

7.3.4O（ads）和OH（ads）的還原166

7.4電位對ORR的影響169

7.5CoN2-G的ORR催化性能比較174

7.6MNx-G的ORR催化性能比較176

參考文獻178

第8章氮雜石墨烯催化劑性能研究180

8.1計算模型及參數181

8.2ORR催化機理182

8.2.1O2在氮雜石墨烯上的吸附182

8.2.2O2的解離和OOH的生成183

8.2.3二電子還原路徑184

8.2.4四電子還原路徑186

8.3ORR催化性能189

參考文獻189