程莹洁, 张喜林, 薛鹏雁, 徐国亮, 路战胜, 杨宗献

(河南师范大学物理与电子工程学院&河南省光伏材料重点实验室, 新乡453007)

O2在Si掺杂石墨烯上吸附与活化

程莹洁, 张喜林, 薛鹏雁, 徐国亮, 路战胜, 杨宗献

(河南师范大学物理与电子工程学院&河南省光伏材料重点实验室, 新乡453007)

采用包含色散力校正的密度泛函理论方法(DFT-D)研究了O2在Si掺杂石墨烯(Si-Gra)上吸附与活化. 研究结果表明: 1) 与纯净石墨烯相比, Si掺杂极大的增强了石墨烯对O2的吸附能力. O2的最稳定吸附构型是以Side-on 模式吸附在掺杂的Si的顶位, 形成O-Si-O三元环. 次稳定吸附构型是与Si及近邻的一个C形成O-Si-C-O四元环结构. 两个吸附构型对应的吸附能分别为-2.40和-1.93 eV; 2) O2有两种分解路径: 直接分解路径(势垒为0.53 eV)和整体扩散后的分解路径(势垒为0.81 eV); 3) 分解之后的两个O原子分别吸附在Si的顶位和相邻碳环的两个碳原子的桥位; 4) 电子结构分析表明吸附的O2从Si-Gra获得较多电荷, 从而被活化. 总之, Si-Gra具有较强的催化氧气还原能力, 是一种潜在的良好的非金属氧还原催化剂.

Si掺杂石墨烯; O2; DFT-D

1 引 言

随着现代工业的高速发展, 煤, 石油, 天然气等化石燃料的短缺以及环境污染问题越来越引起人们的重视. 质子交换膜燃料电池[1]可通过电化学反应将燃料中的化学能高效的转化为电能, 最终产物是无污染的水, 满足了人们对高效, 清洁, 绿色能源日益增长的需求. 研究发现它们的转化效率很大程度上受限于电池阴极上氧还原反应(ORR)的速率[2]. 虽然传……