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双金属纳米簇基燃料电池催化剂的多尺度计算设计及实验制备

时间:2017-06-19

金属纳米簇具有非常优异的催化性能,在化工行业中具有重要的应用价值,被称为“第四代催化剂”。而由两种不同金属组成的双金属纳米簇催化剂,其催化性能明显高于相应的单金属纳米簇催化剂,逐渐引起人们的高度重视。人们发现双金属纳米簇催化剂的催化性能超乎想象,在石油化工、环境保护、能源等领域具有非常广阔的应用前景。金属纳米簇的物性具有尺寸效应,而双金属纳米簇的物理和化学性质除了受尺寸影响之外,还受组成和原子排列的影响。此外,大部分双金属纳米簇还呈现出特殊的结构。这些特性为双金属纳米簇催化剂的设计提供了空间。因此,研究双金属纳米簇催化剂具有非常重要的理论与实际意义。 由于双金属纳米簇体系小,结构复杂,单靠实验手段很难获得双金属纳米簇催化剂的结构和热力学性质,而要理解其具有优异催化性能的内在机理更是困难。因此,人们必须借助各种不同的计算模拟方法来研究双金属纳米簇催化剂。采用计算模拟方法不但能研究双金属纳米簇催化剂的结构、热演化和熔化及其在载体上的负载,还能解释实验现象并可以进而指导其制备。研究双金属纳米簇的计算模拟方法主要有三种,即量子化学计算、全局优化和分子模拟。量化计算方法较准确,但计算量巨大,适用范围受限。全局优化方法可得到双金属纳米簇的最低能量结构,但其计算量也难以承受,只能研究小体系。因此,在研究稍大体系的双金属纳米簇时,最常用的是基于经验势能的分子模拟方法,主要包括分子动力学(molecular dynamics,MD)和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)方法。

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