氧化钌负载铂纳米团簇催化乙醇电氧化反应机理的理论研究

Direct ethanol fuel cell is a sustainable energy technology that converts the chemical energy of ethanol directly into electrical energy. Currently, fuel cells still are dependent on the high-price but low-reserve Pt, while ethanol oxidation activity on Pt/C (~3 nm) are poor, far from the industrial applications. Nano-cluster catalyst (< 1 nm) requires only a few atoms to obtain high catalytic activity that can effectively improve the Pt atomic utilization, with the aim of achieving low Pt loadings but high performance catalysis for direct ethanol fuel cell. By combining density functional theory calculations, molecular dynamics simulations and micro-kinetics modelling, we will systematically study the steric and electronic structures and thermodynamic stability of RuO2 supported Pt nano-clusters. We will identify the active sites for α-C-H, β-C-H and C-O bond breaking and the active oxygen species for c-o bond coupling, in order to construct the complete reaction mechanism of ethanol oxidation over Pt nano-cluster on RuO2. By means of micro-kinetics analysis, the structure-reactivity relationship between the clusters and the catalytic properties will be established for revealing the origin of Pt and RuO2 interactions. This project could provide theoretical guidelines for the search and design of nano-cluster catalysts.

直接乙醇燃料电池是一种可持续的能源技术将乙醇中的化学能直接转换为电能。目前燃料电池无法离开价格昂贵、储量稀少的Pt，而乙醇氧化在Pt/C(~3nm)上反应活性较差，远不能达到工业应用的水平。纳米团簇催化剂(<1nm)仅需少量原子即可获得较高的催化活性，有效地提高原子利用率，可以实现低Pt载量、高性能催化的目标。本项目将结合密度泛函理论计算，分子动力学模拟和微动力学分析，系统地研究RuO2负载Pt纳米团簇的空间结构、电子结构和热力学稳定性，明确乙醇中α-C-H、β-C-H和C-C键的断裂顺序和活性位点，阐明C-O键耦合过程中活性氧物种的来源，构建完整的乙醇氧化反应机理。通过微动力学分析，建立团簇结构与反应性能的构效关系，探究Pt与RuO2相互作用的内在机制，为搜索、设计纳米团簇催化剂提供理论依据。

直接乙醇燃料电池是一种可持续的能源技术将乙醇中的化学能直接转换为电能。目前燃料电池无法离开价格昂贵、储量稀少的Pt，而乙醇氧化在商业碳载Pt/C上反应活性较差，不能达到工业应用的水平。纳米团簇催化剂仅需少量原子即可获得较高的催化活性，可以有效提高原子利用率。本项目以RuO2为载体，通过密度泛函理论计算和分子动力学模拟，通过密度泛函理论计算和分子动力学模拟，研究了不同原子数的Pt纳米团簇的稳定结构，分析了键长、配位数、电荷分布和热力学稳定性等特征。计算了乙醇电氧化反应机理，包括乙醇解离过程中（C-H键和C-C键断裂）和最终产物的形成（乙酸和二氧化碳）两部分，通过比较热力学和动力学数据来确定最终反应路径。计算了含氧物种的吸附电位以及C-O键耦合的活化能，确定表面活性氧物种以及反应的过电位。由于电催化反应实际是发生在电化学界面上，通过了构建液固界面模型，定量评估了水分子溶剂化效应，模拟反应过程中水分子与表面吸附物种的相互作用以及自身的运动、扰动等动态行为，计算水溶液环境的存在对反应机理、反应能和活化能的影响，最后分析计算所得的数据，深入发掘Pt催化剂的电子效应和空间效应对乙醇电氧化反应机理影响的内在规律性。