氧分子电化学还原反应机制及其中间体行为的研究

Oxygen reduction reaction (ORR) is a widely studied process and plays an important role in fuel cells, metal corrosion, electrochemical sensors， therefore becomes a hot topic of electroanalytical chemistry research areas.This project will involve metal electrode surface catalytic ORR, and our study will be based on the latest experimental results. The corresponding models will be constructed, and the detailed mechanism of ORR will be systematically studied at atomic and molecular level combining with quantum chemistry and molecular mechanics methods. The research content mainly includes: investigation of catalyst activity and reaction mechanism of intermediates in ORR process; investigation of the effect of catalyst chemical composition, size, crystal face, solvents and other parameters on catalytic reaction process.The related experimental work will be carried out and compared with the theoretical results. This study focused on the intermediates behaviors in the ORR process, hydroxyl radical generation mechanism and relevant factors that affect the mechanism. The work will provide a strong theoretical insights for optimizing the design of ORR catalyst.

氧分子还原反应（ORR）过程在燃料电池、金属腐蚀、电化学传感器等领域具有重要意义，因此成为电化学分析研究领域的一个热点。本课题拟开展电极表面催化氧分子还原反应的研究，我们的工作将在已有的实验基础上，建立相应的模型，利用量子化学方法和分子力学相结合的方法，对ORR的机理在原子和分子水平上进行系统的研究。研究内容主要包括：研究ORR催化剂活性以及活性氧中间体的反应过程，考察催化剂的化学组成、尺寸、晶面、溶剂等参数对于催化反应过程的影响，并通过实验进行验证。本研究侧重于对ORR过程中的中间体行为，羟基自由基的产生机理以及影响其机理的相关因素的考察。该工作将为优化氧分子还原催化剂的设计提供有力的理论依据。

在本项目的资助下，我们以量子化学和分子动力学模拟为主要研究方法，研究了氧还原反应中的反应物，中间体，产物在Pt电极表面的行为，进而对氧还原反应的机理进行探索，此项目对氧还原催化剂的优化设计具有重要的意义。我们按照项目计划开展了一系列的研究工作，主要的研究内容和进展包括：研究了氧气和水分子在Pt晶体表面的吸附动力学特性，考察了不同的Pt表面结构对氧分子吸附形态的影响；研究了水分子共吸附对氧气在Pt表面物理吸附和化学吸附产生的影响；研究了在OH-竞争吸附下，氧气在Pt表面的吸附过程，阐述了OH-竞争吸附对氧气吸附的影响；模拟了氧气在Pt表面的解离过程，提出了分步反应机制和水分子催化机制。除此之外，利用我们现有的实验和模拟技术，我们也展开了其他方面的研究，主要包括：甲醇氧化反应及相应催化剂的制备的研究；硫醇修饰ZnO纳米结构表面及相关性质的研究。本项目实施以来，项目组已在本领域国际学术期刊上发表了11篇标注有本项目资助的SCI论文，部分成果获2015年山东高等学校优秀科研成果三等奖，完成了预期研究目标。