新能源用高性能碳催化材料的理性设计和计算筛选

夏振海

西北工业大学材料学院

摘要

新能源技术，如燃料电池、金属-空气电池、水裂解制氢，由于其效率高、无污染，具有广阔的应用前景。但这些技术都需要贵金属（如铂金）做为催化剂来催化氧还原，析氧及析氢反应。由于铂金昂贵，严重影响这些技术的产业化。因此，寻找能替代铂金的催化材料成为当前的研究热点。碳纳米材料，包括石墨烯和纳米碳管，由于其优良的机械、物理和化学性能，是理想的“无金属“电极催化材料。然而，碳纳米材料如没有掺杂，催化性能很差。但由于可掺杂的元素多种多样，采用实验来探寻高催化性能材料，需要耗费大量人力物力。本文采用高通量量子计算的方法来搜寻高催化性能掺杂碳基材料，在此基础上进行实验验证。通过引进描述参数，建立“火山“形态图，从而把材料本征特性与催化活性联系在一起， 筛选出具有最佳催化性能的材料。在此基础上所提出的材料设计原理可以指导新型碳基催化材料的制备。