质子交换膜燃料电池电极催化层衬底作用(附件)【字数：15657】
摘 要摘 要能源的消耗越来越多，新能源的开发势在必行。质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其能量转化率高、能量密度高、环保等优点而具有广阔的开发前景。但目前使用的铂催化剂价格十分昂贵限制了PEMFC的发展。本文分别用掺杂了铂、钯和镍原子的石墨烯和氮化硼作为基底，建立了11种基底体系，包括掺杂原子后的基底和没有掺杂原子的基底，利用MS软件模拟计算出相应的能量数据，得到了相应的催化性能。石墨烯掺杂一个镍原子，替换一个碳原子的时候，此时的基底表现出了较好的催化活性。其它掺杂了原子的石墨烯基底催化性能没有催化活性。氮化硼在掺杂一个钯原子，替换一个氮原子的情况下，此时的基底表现出了最好的催化性能。在掺杂一个镍原子，替换一个氮原子的时候，此时的基底也表现出了较好的催化性能。在掺杂一个镍原子，替换一个硼原子的时候，此时的基底也表现出了较好的催化性能。其它掺杂了原子的氮化硼基底没有催化活性。石墨烯和氮化硼基底在掺杂了镍原子的时候，两者都表现出了较好的催化活性。关键词石墨烯；氮化硼；掺杂原子；催化活性
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 能源的概述 1
1.3 新能源的概述 2
1.3.1 新能源的种类 2
1.4 燃料电池的概述 4
1.4.1 燃料电池的原理、优缺点 4
1.4.2 质子交换膜燃料电池的概述 5
1.4.3 质子交换膜燃料电池的原理和优点 6
1.4.4 Pt系催化剂在国内外的研究现状 7
第二章 计算模拟方法 8
2.1 第一性原理 8
2.2 Materials Studio 软件简介 9
2.3 Materials Studio 建模操作 9
2.3.1 建立石墨烯基本模型 10
2.3.2 建立氮化硼基本模型 11
2.3.3 模型的优化计算 12
第三章 结果与讨论 19
3.1 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 19
3.2 反应 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
过程中能量的计算和对能量变化趋势的分析 23
3.2.1 0V和1.23V电势下反应过程中的能量的计算 23
3.2.2 0V和1.23V电势下反应过程中的能量变化值 24
3.2.3 分析0V和1.23V电势下反应过程中能量的变化 26
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着科技的发展和人类的进步，特别是1840年工业革命之后，人们对能源的需求量越来越大。自从新能源这个概念出现以后，人们的思想也有很大的改变，也大幅减少了对传统能源的依赖。能够效率地解决目前由于能源紧缺问题所形成“温室效应”。由于人们长期使用这些化石能源，气候变暖、异常、海平面不断上升等问题也越来越严重。面对能源危机，发展能代替那些不可再生的化石能源的新能源问题迫在眉睫。
1.2 能源的概述
什么是能源呢？它是一切物质能量的起源，它是大自然的资源，也有一部分是其转化物，消耗能源可以为我们带来很多种形式的能量。人类的文明能发展到现在这样离不开能源。更准确的来说，离不开优质的能源，离不开先进的能源技术。能源的形式分为很多种：
①地球自身内部所蕴藏的能量：一般是指和原子核反应相关的能源和热能。②外星球提供的能源，主要是指太阳能。分为两部分，一部分是太阳直接辐射到地球上的能量，另一部分是太阳能衍生出的风能、水能和生物质能等能源[1]。
什么是化石能源呢？它是由亿万年前的生物的遗体慢慢演变而成。天然气、石油和煤炭是最常见的化石能源，它们是传统化石能源的三大巨头。虽然现如今很多国家进人了电气化时代,但使用化石能源的人口仍占大多数。煤炭:煤是由亿万年前的植物埋在地下而形成的一种燃料。使用煤炭会污染环境,所以现在很多国家都在开发一种新技术，这种技术能让煤炭燃烧保持空气干净。石油:石油又名原油,是一种浓稠的黑色液体,由亿万年前海洋中的小动物、海藻等生物形成的。石油一般是储藏在地底下的砂岩层的小孔中。地底下的石油开采出来后,用加热蒸馏法,可以从原油中分离出燃料，提取出其它产品。石油能源的消耗是世界总能源消耗的1/3以上,大多数汽车、轮船的燃料都是石油，家庭也常用石油取暖。从原油中提取的产品有很多，比如塑料、油漆和化妆品等。石油的形成整个过程需要花费几亿年的时光,站在这个角度看,它是一种不可再生的资源。天然气是一种储存在地下多孔岩石中的可燃气体,它形成的原因与石油很相似。但它的重量比石油轻,所以常位于石油上部，我国四川等 省有单独成矿的天然气矿藏。天然气很清洁、价格低和供应非常安全,但同时它也是极易燃烧,气体一旦泄露就会引起爆炸发生火灾。类似于其它活动,自然资源的产生需要消耗一定程度的能量,大规模的用水、土地的恢复、地貌的改造等都伴随着能源大量的消耗。长期使用化石能源会使我们的环境变得越来越糟糕，时时刻刻危害着地球。人类唯一的出路就是寻求新的能源来替代不可再生能源[2]。
能源是国家经济发展的保证，也是人民日常生活中的必需品，对人类的发展和人民生活水平的提高有着重要的意义。能源对现代工业的发展影响重大，是机器能够进行生产的前提。当代农业的发展也离不开能源，农业的机械化和电气化使得对能源的需求量日益增长。交通运输更离不开能源，汽车、火车、飞机都必须依靠强大的能源工业。能源对国防建设也有重要的影响，要想实现国防现代化必须建立在发达的能源工业基础之上。
1.3 新能源的概述
当代我国工业化进程日益加快，伴随而来的日益增加的能源需求量。比如石油，煤炭等传统能源的产量增长缓慢，能源短缺的问题越来越严重，像石油、天然气等能源越来越多地依赖进口。然而在煤炭、石油、天然气这些传统能源使用过程中也产生了大量的有害气体。最主要的问题是产生大量的二氧化碳[3]。
早在1980年，联合国就有了对新能源的定义。依靠新的技术和已有的材料使传统的能源得到最大化的开发、利用，用取之不尽的新能源代替资源有限、破坏环境的传统能源。如太阳能、风能、生物质能、氢能和核能都是由可再生能源衍生的生物燃料和氢所产生出来的能量。可以概括的说，新能源的两个重要的特点就是新的技术和可再生。新能源的出现和发展使整个能源系统迈向可持续发展的道路，也是环境治理和保护生态的重要措施。新能源相比于传统能源，新能源具有污染少、储量多的特点，对解决世界的环境污染问题和资源短缺问题具有重要意义。与此之外，新能源大多分布都很均匀，对于解决由能源引发的争端也有重要意义[4]。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 能源的概述 1
1.3 新能源的概述 2
1.3.1 新能源的种类 2
1.4 燃料电池的概述 4
1.4.1 燃料电池的原理、优缺点 4
1.4.2 质子交换膜燃料电池的概述 5
1.4.3 质子交换膜燃料电池的原理和优点 6
1.4.4 Pt系催化剂在国内外的研究现状 7
第二章 计算模拟方法 8
2.1 第一性原理 8
2.2 Materials Studio 软件简介 9
2.3 Materials Studio 建模操作 9
2.3.1 建立石墨烯基本模型 10
2.3.2 建立氮化硼基本模型 11
2.3.3 模型的优化计算 12
第三章 结果与讨论 19
3.1 反应过程中中间产物的吸附以及吸附能的计算 19
3.2 反应 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
过程中能量的计算和对能量变化趋势的分析 23
3.2.1 0V和1.23V电势下反应过程中的能量的计算 23
3.2.2 0V和1.23V电势下反应过程中的能量变化值 24
3.2.3 分析0V和1.23V电势下反应过程中能量的变化 26
结 论 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着科技的发展和人类的进步，特别是1840年工业革命之后，人们对能源的需求量越来越大。自从新能源这个概念出现以后，人们的思想也有很大的改变，也大幅减少了对传统能源的依赖。能够效率地解决目前由于能源紧缺问题所形成“温室效应”。由于人们长期使用这些化石能源，气候变暖、异常、海平面不断上升等问题也越来越严重。面对能源危机，发展能代替那些不可再生的化石能源的新能源问题迫在眉睫。
1.2 能源的概述
什么是能源呢？它是一切物质能量的起源，它是大自然的资源，也有一部分是其转化物，消耗能源可以为我们带来很多种形式的能量。人类的文明能发展到现在这样离不开能源。更准确的来说，离不开优质的能源，离不开先进的能源技术。能源的形式分为很多种：
①地球自身内部所蕴藏的能量：一般是指和原子核反应相关的能源和热能。②外星球提供的能源，主要是指太阳能。分为两部分，一部分是太阳直接辐射到地球上的能量，另一部分是太阳能衍生出的风能、水能和生物质能等能源[1]。
什么是化石能源呢？它是由亿万年前的生物的遗体慢慢演变而成。天然气、石油和煤炭是最常见的化石能源，它们是传统化石能源的三大巨头。虽然现如今很多国家进人了电气化时代,但使用化石能源的人口仍占大多数。煤炭:煤是由亿万年前的植物埋在地下而形成的一种燃料。使用煤炭会污染环境,所以现在很多国家都在开发一种新技术，这种技术能让煤炭燃烧保持空气干净。石油:石油又名原油,是一种浓稠的黑色液体,由亿万年前海洋中的小动物、海藻等生物形成的。石油一般是储藏在地底下的砂岩层的小孔中。地底下的石油开采出来后,用加热蒸馏法,可以从原油中分离出燃料，提取出其它产品。石油能源的消耗是世界总能源消耗的1/3以上,大多数汽车、轮船的燃料都是石油，家庭也常用石油取暖。从原油中提取的产品有很多，比如塑料、油漆和化妆品等。石油的形成整个过程需要花费几亿年的时光,站在这个角度看,它是一种不可再生的资源。天然气是一种储存在地下多孔岩石中的可燃气体,它形成的原因与石油很相似。但它的重量比石油轻,所以常位于石油上部，我国四川等 省有单独成矿的天然气矿藏。天然气很清洁、价格低和供应非常安全,但同时它也是极易燃烧,气体一旦泄露就会引起爆炸发生火灾。类似于其它活动,自然资源的产生需要消耗一定程度的能量,大规模的用水、土地的恢复、地貌的改造等都伴随着能源大量的消耗。长期使用化石能源会使我们的环境变得越来越糟糕，时时刻刻危害着地球。人类唯一的出路就是寻求新的能源来替代不可再生能源[2]。
能源是国家经济发展的保证，也是人民日常生活中的必需品，对人类的发展和人民生活水平的提高有着重要的意义。能源对现代工业的发展影响重大，是机器能够进行生产的前提。当代农业的发展也离不开能源，农业的机械化和电气化使得对能源的需求量日益增长。交通运输更离不开能源，汽车、火车、飞机都必须依靠强大的能源工业。能源对国防建设也有重要的影响，要想实现国防现代化必须建立在发达的能源工业基础之上。
1.3 新能源的概述
当代我国工业化进程日益加快，伴随而来的日益增加的能源需求量。比如石油，煤炭等传统能源的产量增长缓慢，能源短缺的问题越来越严重，像石油、天然气等能源越来越多地依赖进口。然而在煤炭、石油、天然气这些传统能源使用过程中也产生了大量的有害气体。最主要的问题是产生大量的二氧化碳[3]。
早在1980年，联合国就有了对新能源的定义。依靠新的技术和已有的材料使传统的能源得到最大化的开发、利用，用取之不尽的新能源代替资源有限、破坏环境的传统能源。如太阳能、风能、生物质能、氢能和核能都是由可再生能源衍生的生物燃料和氢所产生出来的能量。可以概括的说，新能源的两个重要的特点就是新的技术和可再生。新能源的出现和发展使整个能源系统迈向可持续发展的道路，也是环境治理和保护生态的重要措施。新能源相比于传统能源，新能源具有污染少、储量多的特点，对解决世界的环境污染问题和资源短缺问题具有重要意义。与此之外，新能源大多分布都很均匀，对于解决由能源引发的争端也有重要意义[4]。
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