本專著深入探討了催化在能源、環境、化學工業等多個領域的關鍵作用，并強調了開發高效、低成本催化劑的緊迫性。當前，貴金屬催化劑在氧還原、氧析出和CO 氧化等反應中占據主導地位，但成本高、稀缺性等問題限制了其大規模應用。因此，本專著著重介紹了通過密度泛函理論計算研究的四類新型摻雜型碳基催化劑，詳細探討了其活性位點、吸附行為和反應機理，并揭示了它們在催化常見反應中的高效性能。這一研究不僅豐富了碳基催化劑的理論體系，也為實驗研究和工業應用提供了寶貴參考，有望推動碳基催化劑在能源轉換和化學反應中的廣泛應用，助力可持續發展和環境保護。

催化作為一個重要的科學領域，在能源、環境、化學工業、健康和制藥等方面發揮著不可或缺的作用。開發更好的催化系統對于滿足當代社會需求至關重要，此類催化劑是促進可持續發展和化學合成進步的主要因素。常見的氧還原反應、氧析出反應、CO 氧化反應目前大都依賴貴金屬鉑及貴金屬氧化物如氧化釕和氧化銥作為催化劑。這些催化劑在催化活性、穩定性、選擇性等方面還存在許多的不足。其中催化劑的高成本以及稀缺性是制約其大規模商業應用的重要因素。因此開發出低成本高性能的催化劑來代替它們滿足當代社會的需求，是催化研究的重點。近年來，隨著密度泛函理論（DFT） 計算方法的不斷發展，我們能夠更加深入地理解和設計碳基催化劑的催化機理和性能。
本專著主要介紹了通過理論計算研究的四類結構新穎的摻雜型碳基催化劑的潛在應用，對它們的活性位點、吸附行為、反應機理等進行了探索，發現了它們能高效催化各類常見反應，例如氧還原反應、氧析出反應和CO 氧化反應，這對于設計和開發新穎高效的催化劑和實驗研究具有重要的理論和實踐意義。
本專著的研究成果不僅豐富了摻雜型碳基催化劑的理論體系，還為實驗研究和工業應用提供了重要的參考依據。我們期待這些研究成果能夠推動碳基催化劑在能源轉換和化學反應領域獲得更廣泛的應用，為實現可持續發展和環境保護貢獻力量。
本專著得到山西省高等學校科技創新項目(項目號：2023L417)的資助，在此表示感謝！也感謝山西工程科技職業大學的鼎力支持！
摻雜型碳基催化劑研究領域相當寬廣，新的理論和實驗成果層出不窮，本專著僅介紹了其中部分內容，可謂是“管中窺豹，可見一斑”。由于作者水平和時間所限，書中難免有不妥及疏漏之處，敬請專家、學術同行和讀者朋友批評指正。

楊思偉
山西工程科技職業大學

第1章緒論001
1.1引言002
1.2氧還原反應概述005
1.2.1氧還原反應的應用及研究意義005
1.2.2氧還原反應的基本原理005
1.2.3用于氧還原反應的摻雜型碳基催化劑006
1.3氧析出反應概述008
1.3.1氧析出反應的應用及研究意義008
1.3.2氧析出反應的基本原理009
1.3.3用于氧析出反應的摻雜型碳基催化劑009
1.4CO 氧化反應概述011
1.4.1CO 氧化反應的應用及研究意義011
1.4.2CO 氧化反應的基本原理011
1.4.3用于CO 氧化反應的摻雜型碳基催化劑012
1.5本書的研究意義和主要內容013

第2章理論基礎與計算方法016
2.1引言017
2.2量子力學基本理論017
2.2.1薛定諤方程017
2.2.2玻恩-奧本海默近似018
2.2.3單電子近似018
2.2.4Hartree-Fock 理論019
2.3密度泛函理論021
2.4過渡態理論023
2.5內稟反應坐標理論025
2.6計算氫電極模型和理論過電位027
2.7熱力學活性火山圖028
2.8Mulliken 電荷029
2.9d-帶模型理論030

第3章雜原子摻雜富勒烯C70 用于氧還原和氧析出反應的理論研究032
3.1引言033
3.2計算方法034
3.3結果與討論035
3.3.1雜原子摻雜C70 的構型及性質035
3.3.2ORR/OER 中間體的吸附039
3.3.3ORR/OER 性能042
3.4本章小結048

第4章Ru 和N 共摻雜空位富勒烯(Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 ) 用于氧還原和CO 氧化反應的理論研究049
4.1引言050
4.2計算方法051
4.3結果與討論053
4.3.1Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 的構型及性質053
4.3.2ORR 和COOR 物質的吸附057
4.3.3Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 上的ORR 機理058
4.3.4Ru-N4-C54 和Ru-N4-C64 上的COOR 機理074
4.4本章小結080

第5章過渡金屬M 和N 共摻雜空位富勒烯(M-N4-C64，M= Fe、Co 或Ni) 用于氧還原反應的理論研究082
5.1引言083
5.2計算方法085
5.3結果與討論085
5.3.1M-N4-C64 的構型及性質085
5.3.2M-N4-C64 的電子結構分析087
5.3.3ORR 物質的吸附089
5.3.4M-N4-C64 上的ORR 機理091
5.3.5勢能面(PES) 和相對能量曲線104
5.4本章小結106

第6章鐵原子摻雜石墨氮碳化物作為氧還原電催化劑的理論研究108
6.1引言109
6.2計算方法110
6.3結果和討論111
6.3.1g-C3 N4、Fe/g-C3 N4 和吸附氧在Fe/g-C3 N4 上的構型及性質111
6.3.2g-C3 N4 和Fe/g-C3 N4 的電子結構分析114
6.3.3ORR 物質的吸附和活性位點117
6.3.4吸附氧在Fe/g-C3 N4 上的氫化119
6.3.5OOH*在Fe/g-C3 N4 上的ORR 機理121
6.3.6勢能面(PES) 和相對能量曲線126
6.4本章小結127

第7章結論與展望129

參考文獻133