[发明专利]一种金属-氮-碳固氮电催化剂的设计方法

说明书

本发明公开了一种金属‑氮‑碳固氮电催化剂的设计方法，属于化学和材料领域。本发明解决了由于实验条件和成本的约束，目前过渡金属氮掺杂碳材料的催化性能研究多以先设计制备、再表征性能的方式，使得催化剂的设计缺乏指导、制备缺乏定向、性能无法预判。本发明方法：通过金属负载类型和不同的氮配位构建金属‑氮掺杂碳材料的模型；进行优化；计算金属‑氮掺杂碳材料的结合能；判断稳定性；固氮金属‑氮掺杂碳材料的筛选。本发明提供了一种基于第一性原理筛选固氮金属‑氮‑碳催化剂的方法和流程，为实验研究提供直接的理论指导，避免大量试错实验造成的时间和成本损失。

技术领域

本发明涉及化学和材料领域，尤其涉及一种基于第一性原理的具有催化氮还原反应活性的石墨烯基电催化剂的设计方法。

背景技术

氨是一种重要的化工原料及能量载体，广泛应用于农业、化工、能源、医药等领域。目前工业合成氨仍采用传统的的Haber-Bosch方法，该方法需要在铁基催化剂的作用下，在高温高压条件下进行，能耗大，还会产生大量的二氧化碳，排放高。利用电化学方法在环境条件下催化氮还原反应合成氨，具有低耗能、清洁、绿色等优点，成为替代Haber-Bosch法的工业合成氨的潜在方法之一。然而，现有电催化剂在催化氮还原反应时，受自身性能的限制以及竞争性析氢反应的影响，存在产率低、法拉第效率差等问题，尚无法满足工业合成氨的需要。因此，开发高活性、高稳定性、高选择性的氮还原反应电催化剂，是近年来的研究热点。

过渡金属具有丰富的d电子结构，价格低廉，储量丰富，展现出较高的电催化固氮潜能。但部分过渡金属导电率低。氮掺杂碳具有较高的导电性、较强的稳定性、较大的比表面积，在电催化领域有着重要应用。通过氮原子的锚定作用将过渡金属原子均匀的分散在氮掺杂碳表面，可形成单原子、双原子或单团簇等多种类型的催化剂。这些催化剂具有暴露的活性位点，可调的电子结构，是理想的电催化固氮催化剂之一。然而，这些催化剂在设计时缺乏理论指导，针对性不强，在制备方面存在一定困难，需要大量的试错实验，导致成本高，效率低。因此，亟需开发具有高效电化学固氮活性的过渡金属嵌入的氮掺杂碳材料。

发明内容

受到实验条件和成本的约束，目前过渡金属氮掺杂碳材料的催化性能研究多以先设计制备、再表征性能的方式，使得催化剂的设计缺乏指导、制备缺乏定向、性能无法预判。

本发明基于第一性原理模拟方法，开发出一种筛选具有氮还原性能金属-氮掺杂碳材料的方法，为后期实验制备提供必要的理论指导，加快新型催化剂的研究进度，进而揭示催化反应的机理。

本发明中一种金属-氮-碳固氮电催化剂的设计方法是通过下述步骤实现的：

步骤1、通过金属负载类型和不同的氮配位构建金属-氮掺杂碳材料的模型(如图1所示)；

步骤2、对步骤1构建的模型进行优化；

步骤3、计算金属-氮掺杂碳材料的结合能；

步骤4、根据步骤3计算的结合能判断金属-氮掺杂碳材料的稳定性，如果稳定执行步骤5，如果不稳定执行步骤13；

步骤5、计算氮气吸附金属-氮掺杂碳材料表面的不同活性位点时的吉布斯自由能；

步骤6、根据步骤5计算的吉布斯自由能判断氮气吸附能力，当吉布斯自由能小于0时执行步骤6，当吉布斯自由能大于0，执行步骤13；

步骤7、计算氢原子在金属-氮掺杂碳材料表面的吸附吉布斯自由能；

步骤8、如果步骤5的吉布斯自由能小于步骤7的吉布斯自由能，执行步骤9，否则执行步骤13；