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    題名: 利用第一原理計算方法探討二氧化碳於石墨烯支撐的鎳團簇及其氫化物基材上的電化學還原反應
    Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction on Graphene-supported Ni Cluster and its Hydride: Insight from First-Principles Calculations
    作者: 邱光彥
    貢獻者: 化學系應用化學碩士班
    關鍵詞: CO2RR
    電催化劑
    氫化鎳
    第一性原理計算
    electrocatalysts
    nickel hydride
    first-principles calculation
    日期: 2023
    上傳時間: 2024-02-29 10:58:30 (UTC+8)
    摘要: 在本研究中,我們基於密度泛函理論計算對石墨烯支撐的鎳和鎳氫團簇上的CO2還原反應趨勢進行了分析。研究發現,在石墨烯上生成鎳氫團簇使催化劑具有活性帶正電鎳和負電氫的位置,從而提高了CO2吸附和促進電化學反應。在乾淨的 Ni10-gra 模型上,CO2的化學吸附佔主導地位,並主導了COOH 途徑的選擇性,這一點可以通過 CO2中間體的顯著吸附自由能 (∆Gads) 為-0.85 eV 來證明。然而,在 7HNi10-gra 模型上,吸附能顯著降低至-0.24 eV,這反過來導致在具有更高nH 比例的模型中觀察到 CO2解吸現象。此外,隨著 H 原子數量的增加,HCOO 形成過程中能量的降低和穩定並不顯著,從而促使了一種可導致甲酸、甲醇和甲烷生成的替代電催化途徑。我們的計算研究為在不同 nH-Ni10-gra 模型上CO2吸附及其後的轉化為各種產物提供了全面的機制描述,從而在很大程度上加深了對金屬氫化物在電化學環境中影響的理解。
    總而言之可以看出,在石墨烯支撐的鎳和鎳氫團簇上,CO2 的還原反應具有顯著的趨勢變化。通過對鎳氫團簇生成的探討,我們發現這種結構對催化劑的活性有著顯著的影響。在這些模型中,CO2吸附和轉化過程具有多種可能的路徑,這些路徑在不同的模型中表現出不同的選擇性和效率。通過對這些過程進行詳細的理論
    析,我們揭示了金屬氫化物在電化學反應中的重要作用。

    在進一步分析中,我們發現CO2還原反應在不同模型上的活性受到鎳氫團簇結構和氫原子數量的影響。在具有較低 nH 比例的模型中,CO2吸附和轉化過程主要通過COOH 途徑進行。然而,當氫原子數量增加時,CO2解吸現象變得更為明顯,並且可能通過其他電催化途徑生成甲酸、甲醇和甲烷。這表明,在設計高效CO2還原催化劑時,應充分考慮金屬氫化物的結構和氫原子數量對催化性能的影響。
    此外,本研究還探討了石墨烯對鎳和鎳氫團簇上CO2還原反應的影響。研究發現,石墨烯不僅可以作為一種穩定的支撐材料,還可以通過與鎳氫團簇的相互作用調節催化劑的電子結構,進而影響CO2 還原反應的活性和選擇性。因此,在開發新型CO2還原催化劑時, 將石墨烯與金屬氫化物結合使用具有巨大的潛力。
    總之,本研究通過理論計算揭示了石墨烯支撐的鎳和鎳氫團簇對

    CO2還原反應的影響,並提供了關於金屬氫化物在電化學環境中作用的深入理解。這些發現對於指導新型 CO2還原催化劑的設計具有重要的指導意義,並為未來進一步優化CO2 還原反應提供了有益的思路。
    We furnish a detailed investigation of CO2 reduction phenomena, involving nickel and nickel hydride clusters on a graphene substrate, employing the principles of density functional theory computations. Our empirical evidence underscores that the advent of nickel hydride clusters on graphene endows the catalyst with both positively active nickel and negatively active hydrogen locations. This augmentation notably optimizes CO2 adsorption and invigorates the performance of electrochemical reactions. With the pristine Ni10-gra model, CO2 chemisorption is predominant, guiding the selectivity towards the COOH* pathway, underscored by a significant adsorption free energy (∆Gads) of -0.85 eV for the CO2* intermediate. Conversely, the adsorption energy sees a notable reduction to -0.24 eV on the 7H*Ni10-gra model, leading to the observed phenomenon of CO2 desorption in models featuring higher nH* ratios. Moreover, the energy diminution and stabilization linked to HCOO* formation in the context of a rising count of H* atoms are not significantly pronounced. This, in turn, paves the way for an alternative electrocatalytic path, culminating in the production of formic acid, methanol, and methane. Our computational research reveals a holistic mechanism that explains CO2 adsorption and its subsequent transformation into an array of products across different nH*-Ni10-graphene models. This investigation considerably propels our knowledge of the role that metal hydrides play within the electrochemical environment.
    顯示於類別:[化學系所] 博碩士論文

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