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| 編輯推薦： |
1.创新性，利用计算模拟的方法对新型氧还原催化剂进行结构设计，从分子水平研究催化剂。
2.先进性，寻找高效且价格低廉的氧还原催化剂可推进燃料电池发展。
3.专业性，基于量子力学方法的密度泛函理论，通过计算来实现对新型催化剂的理性设计和性能调控。
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| 內容簡介： |
《燃料电池催化剂结构设计与作用机制》共10章，在概述了国内外能源状况和燃料电池的分类、特点、发展壁垒的基础上，详细介绍了氧还原电催化剂的结构与催化机制、密度泛函理论在氧还原反应研究中的应用、过渡金属-氮-碳催化剂的结构与作用机制、二维碳材料的结构与作用机制、富勒烯与其他笼形材料的结构与作用机制、金属有机骨架催化剂的结构与作用机制、氮化碳的结构与作用机制及载体增强作用，*后对燃料电池催化剂的研究情况进行了总结，并展望了未来的发展方向。
本书具有较强的专业性和先进性，可供从事电催化、燃料电池及相关领域科学研究和技术研发的专业人员参考，也可供高等学校化学类、能源类、材料类等专业的师生参阅。
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| 關於作者： |
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陈鑫，西南石油大学化学化工学院教授，北京工业大学博士，北京大学博士后，现为西南石油大学化学化工学院院聘教授，硕士生导师，能源转换与催化课题组负责人。主要从事能量转换与储存（燃料电池、锂电池）、能源催化、理论与计算化学等领域的科研工作。近年来主持或参与国家自然科学基金项目4项；在Nano Energy，Applied Catalysis B，Journal of Materials Chemistry A，Carbon，Small等国际期刊上发表SCI论文50余篇，总影响因子超过200。
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| 目錄：
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第1章绪论001
1.1当前国内外能源状况001
1.2燃料电池的分类及特点002
1.3燃料电池的发展壁垒003
参考文献004
第2章氧还原电催化剂的结构与催化机制005
2.1概述005
2.2催化机制的理论研究方法006
2.2.1密度泛函理论006
2.2.2第一性原理分子动力学方法010
2.3氧还原催化机理012
2.4金属催化剂催化的氧还原机理016
2.4.1纯铂016
2.4.2铂基合金020
2.4.3非铂基金属022
2.5非贵金属催化剂催化的氧还原机理024
2.5.1过渡金属大环类化合物025
2.5.2金属氧化物、氮化物、硫化物027
2.5.3导电聚合物复合催化剂029
2.5.4碳基材料030
2.6小结032
参考文献033
第3章密度泛函理论在氧还原反应研究中的应用048
3.1概述048
3.2评估氧还原催化活性的方法049
3.2.1中间体的吸附能049
3.2.2反应势能曲线050
3.2.3由线性吉布斯能量关系计算可逆电势052
3.2.4反应能垒053
3.2.5催化剂电子结构054
3.3评估氧还原稳定性的方法056
3.3.1金属溶解电势056
3.3.2金属共聚能058
3.3.3活性中心的金属结合能058
3.4GGA不同泛函的计算精确度058
3.4.1孤立的氧还原物种的键长059
3.4.2孤立的氧还原物种的键解离能060
3.4.3氧还原物种在催化剂表面的吸附能061
3.4.4反应过程分析064
3.5小结065
参考文献065
第4章过渡金属-氮-碳催化剂的结构与作用机制072
4.1概述072
4.2单核钴（铁）酞菁与双核钴（铁）酞菁073
4.2.1在酸溶液中的稳定性073
4.2.2吸附与催化机制074
4.2.3电子结构分析075
4.3钴聚吡咯催化剂076
4.3.1钴聚吡咯的结构稳定性077
4.3.2钴聚吡咯的催化过程分析077
4.3.3钴聚吡咯的尺寸效应080
4.3.4协同效应081
4.4FeCoNx（x=1～4）内嵌石墨烯催化剂084
4.4.1结构与稳定性评估084
4.4.2氧分子的吸附085
4.4.3反应过程分析087
4.5FeN4内嵌碳纳米管催化剂的尺寸效应091
4.5.1结构与稳定性评估092
4.5.2氧还原物种的吸附094
4.5.3基元反应的相对能量096
4.5.4电子结构效应097
4.6类FeNx的催化位点：FeSx结构098
4.6.1结构筛选098
4.6.2氧气分子的吸附行为分析099
4.6.3氧还原反应路径分析100
4.6.4抗中毒能力分析102
4.7金属效应与配体效应103
4.7.1金属中心及配体结构103
4.7.2吸附情况分析104
4.7.3HOMO-LUMO能隙分析105
4.8小结106
参考文献106
第5章二维碳材料的结构与作用机制113
5.1概述113
5.2金属直接掺杂石墨烯的催化机制113
5.2.1结构与稳定性评估114
5.2.2吸附关系分析116
5.2.3反应过程及限速步骤分析118
5.3氮-氧共掺杂石墨烯的催化机制119
5.3.1掺杂位置与形成能120
5.3.2氧还原物种吸附情况比较120
5.3.3催化反应能量与能垒122
5.3.4氧还原活性起源124
5.4硼、氮掺杂的-和-石墨炔的催化机制125
5.4.1硼掺杂的-石墨炔126
5.4.2氮掺杂的-石墨炔127
5.4.3硼、氮共掺杂的-石墨炔127
5.4.4硼、氮分别掺杂的-石墨炔128
5.5小结129
参考文献129
第6章富勒烯与其他笼形材料的结构与作用机制133
6.1概述133
6.2氮掺杂富勒烯的催化机制134
6.2.1稳定性与电荷分布134
6.2.2氧还原中间体的线性吸附关系136
6.2.3相对能量图138
6.3内嵌金属富勒烯的催化机制140
6.3.1Fen@C60（n=1～7）的结构和电子性质140
6.3.2通过吸附性能预测活性142
6.3.3抗中毒能力145
6.4富勒烯表面掺杂金属的催化机制146
6.4.1结构与稳定性147
6.4.2吸附强度比较147
6.4.3吉布斯自由能148
6.4.4线性关系与过电势152
6.5硼氮纳米笼与硅碳纳米笼152
6.5.1硼氮纳米笼的催化机制153
6.5.2硅碳纳米笼的催化机制157
6.6小结161
参考文献161
第7章金属有机骨架催化剂的结构与作用机制168
7.1概述168
7.2Ni3HITP2：一种新的催化位点导致的高氧还原活性169
7.2.1Ni3HITP2片层材料的结构与性质169
7.2.2含氧物种在Ni3HITP2的吸附171
7.2.3ORR机理及活性位点分析172
7.3X3HITP2的结构与催化机制174
7.3.1催化活性位点的选择及含氧物种的吸附174
7.3.2氧还原路径177
7.3.3含氧物种的吸附能线性关系与活性限速步180
7.3.4相对稳定性与抗中毒能力181
7.4不同配体对MOF材料氧还原催化性能的影响183
7.4.1材料模型构建与性质184
7.4.2配体效应185
7.4.3不同活性位点的相对能量变化188
7.5小结190
参考文献191
第8章氮化碳的结构与作用机制197
8.1概述197
8.2非金属原子掺杂g-C3N4的ORR活性197
8.2.1催化活性位点的选择及氧气的吸附198
8.2.2能带结构和偏态密度分析200
8.3过渡金属原子掺杂g-C3N4的催化机制203
8.3.1结构与稳定性203
8.3.2氧还原中间产物的吸附203
8.3.3氧还原路径及相对能量变化205
8.4小结208
参考文献208
第9章载体增强作用213
9.1概述213
9.2石墨烯负载的Au纳米团簇与O2分子相互作用213
9.2.1Aun团簇在N掺杂的石墨烯上的吸附性质214
9.2.2O2在N掺杂石墨烯负载Aun团簇上的吸附性质215
9.2.3Aun团簇结构稳定性的改变219
9.3氧气在缺陷石墨烯负载的铂纳米粒上的吸附220
9.3.1Pt13纳米粒子与缺陷石墨烯之间的相互作用220
9.3.2氧气在Pt13-缺陷石墨烯上的吸附作用222
9.4载体225
9.5小结228
参考文献228
第10章结论与展望235
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| 內容試閱：
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随着全球经济发展对能源的需求不断加大，若继续大规模使用化石燃料，无疑会使生态环境进一步恶化，因此发展清洁能源技术显得极其重要。低温燃料电池是将化学能直接转化为电能的电化学装置，其在固定式和移动式应用方面都具有巨大的潜力，有望帮助解决社会中普遍存在的能源和环境问题。然而，低于预期的效率以及电极上的高成本电催化剂阻碍了燃料电池的大规模商业化。在氢燃料电池中，作为阳极反应的氢气氧化是一个非常快的过程，但阴极上发生的氧还原反应动力学缓慢，是导致燃料电池过电位高和成本高的主要原因。在过去的20多年中，尽管铂基催化剂取得了显著发展，但铂价格的持续上涨让其应用形势更为严峻。因此，设计开发来源广泛、价格低廉的替代铂的高效催化剂尤为重要。
材料的催化性能原则上完全取决于其电子结构，所以设计全新的催化剂需要对决定催化活性的因素有足够的了解，以便能够逐个原子地调整催化剂的结构和组分，以达到改变电子结构的目的。近年来，量子力学的发展使研究者对电催化过程和电催化基础理论的认识不断深入。相较于传统的实验方法而言，利用理论计算方法可以从分子原子尺度上设计催化剂结构，详细且准确地描述表面催化反应，进而了解催化剂活性的影响因素，理性探究催化剂的结构-性能关系。
本书紧紧围绕当前燃料电池催化剂的研究前沿，介绍了低成本高活性催化剂的结构设计与作用机制，以及我们对燃料电池催化反应的理解。本书既适合选择理论与计算化学、电催化、催化化学、表面科学、材料科学等学科作为研究方向的研究生参考使用，也适合从事电催化及相关领域科学研究和技术研发的科技工作者参阅。
在本书出版之际，感谢国家自然科学基金的资助，感谢化学工业出版社的支持，感谢课题组成员为保证本书的质量和顺利出版所付出的艰辛劳动。
限于著者水平和写作时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改建议，不胜感激。
著者
2020年1月
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