硼掺杂的石墨烯在燃料电池阴极作为氧还原反应催化剂
毕业论文关键词：硼掺杂石墨烯，燃料电池，Pourbaix图，无机非金属催化剂，
1. 引言
在氧还原反应（ORR）燃料电池和金属空气电池中铂（Pt）及其合金是目前应用最广泛的催化剂。然而，他们的主要缺点使用成本高、资源稀缺、和大的过电位,因此科学界正致力于力为ORR和其他氧化还原反应寻找有效的廉价的非金属催化剂 [1]。 而掺杂石墨烯系统是最近提出的ORR活性的催化剂中有前途的替代品 [2–9]。 其中，氮掺杂石墨烯吸引了最多的关注和研究工作[2,4,6–8]。 最近虽然也有报道硼掺杂的石墨烯系统能够有效地催化该反应 [10,11]， 并且一些出现在文献中比较实验数据表明 [12]，B掺杂的石墨烯均匀性略高于N掺杂，既肯定超越其他非金属的性能（O，P，S）掺杂石墨烯系统。反应路径的细节还不是很清楚 [13,14]。此外，他们在掺杂原理上可能会有所不同。在这种情况下氮掺杂石墨烯 [15,16]， 的解离过程一般认为不是最好的产品路线。 至于结合的机制4e_途径比2e_更直接有效。
无论是游离还是结合的机制，分子氧吸附步骤是第一步被认为是在还原过程中的关键步骤。纯净石墨的单原子层通过形成中间侧桥接氧物 （ ）一个高能价键（约2.5 eV对于G + O2（g））[21,23]。 基本原因是石墨烯分子氧完全惰性。基于这种原因氮掺杂石墨烯是研究最多的已知的掺杂石墨烯的案例。类似的类型（ ）仍然相当高能量（约1.6 eV相对于NG + O2（g）） [21]。在大多数的理论著作中 [17,19,20]，在更稳定的骨架（ ）前这个费力费钱的步骤被忽视或忽略，这个反应路径的简单化是一个严重的问题主要因为它会导致不确定的结果。一些研究者 [21,22]认识到单元子层石墨烯的N基团吸引力的局限性是O2的吸附位点，提出了在石墨烯边缘的季氮原子的突出作用特别是在氮掺杂石墨烯纳米带（NR）。他们发现，在NR边缘有一个稳定的双氧中间体（ ）可以形成一个较低的吸附能垒（仅有0.35 eV）在一个在NG（ ）体侧。研究提出了在解离和结合过程中将O2吸附第一中间体结束键上。
在掺杂石墨烯作为催化剂使用研究方面(i)活化障碍是在还原过程中质子/电子的转移，对燃料电池来说平衡电位的出现需要用到一个潜在的影响（ii）即4e-选择性结合过程。应用Nørskov公司在对Pt电极的终于研究中首创的方法 [24]可以到解决和分析这些问题。这种方法是在催化剂的表面自由能排列优化提高燃料电池的阴极催化性能，为电化学研究前景提供了一个方向。
在这项工作中，我们将Nørsko公司应用于金属电极的方法 [24]用于硼掺杂的石墨烯催化剂，通过所有中间体和过渡结构v的识别，解离和关联机制详细的研究提出了B掺杂的石墨烯的催化还原可能的反应进行的途径，模拟Pt电极使临界还原过程。最后，我们还绘制了 Pourbaix图 [25]来确定电解质溶液PH值对每一步还原[4 _ (H+ + e_)]是否有影响
我们发现O2 是通过形成双氧中间体吸附在硼掺杂石墨烯上的（ ），G 和 NG中都没有观察到硼原子使石墨烯中游离的基团与骨架基团（ ）相结合的中间体高能侧键（ ）的形成。我们认为是该吸附O2基团的存在是硼掺杂的石墨烯作为该反应的催化剂性能优良的主要原因 [10-12]