[发明专利]高效设计基于空气为反应气源的潜在ORR和NRR催化剂的方法

权利要求书

1.高效设计基于空气为反应气源的潜在ORR和NRR催化剂的方法，其特征在于，基于不同N-C配位环境和不同活性位点Tm原子构筑单原子催化剂模型，依托第一性原理密度泛函理论开展稳定性分析、空气主成分竞争性吸附、物脱附的层层渐进式筛选，快速定位出潜在的适应空气为反应气源的ORR或NRR的催化剂。

2.根据权利要求1所述的高效设计基于空气为反应气源的潜在ORR和NRR催化剂的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、基于第一性原理密度泛函理论，构建包括单空位和双空位所有的过渡金属以及不同浓度N掺杂石墨烯的基底催化剂模型，分别记为Tm-N_X-C_3-X-Gra和Tm-N_X-C_4-X-Gra；其中根据氮-碳组合构型，将Tm-N₂-C₂-Gra构型分为五元环型pen、对位型opp和六元环型hex；

S2、对于N配位单过渡金属掺杂石墨烯形成的双空位催化剂模型，根据形成能ΔE_f计算公式(1)和结合能ΔEb计算公式(2)计算所有预筛选模型的形成能ΔE_f和结合能ΔE_b；根据ΔE_f0eV和ΔE_bE_coh筛选稳定的催化剂构型；E_coh为金属内聚能；

其中和E_Gra分别代表双空位型单原子催化剂Tm-N_X-C_4-X-Gra、缺过渡金属的催化剂模型N_X-C_4-X-Gra和石墨烯Gra的体系能量，E_C、E_Tm、E_N分别代表单原子C、Tm、N的能量；

对于单空位催化剂模型，其形成能ΔE_f和结合能ΔE_b分别如计算公式(3)和(4)；其中和分别代表单空位型单原子催化剂Tm-N_X-C_3-X-Gra和缺过渡金属的催化剂模型N_X-C_3-X-Gra体系能量；

S3、构建不同吸附模式下O₂的吸附模型并优化结构，选取能量最低的吸附模型，根据公式(5)计算催化剂对于O₂的吸附能；

其中是指催化剂吸附O₂的体系总能量，是指单个O₂分子的能量，sub为催化剂基底模型，单空位和双空位模型，分别记为Tm-N_X-C_3-X-Gra和Tm-N_X-C_4-X-Gra；

S4、构建不同吸附模式下N₂的吸附模型并优化结构，选取能量最低的吸附模型，根据公式(6)计算催化剂对于N₂的吸附能；

其中是指催化剂吸附N₂的体系总能量，是指单个N₂分子的能量；

S5、比较同一基底，对O₂和对N₂的吸附能大小，当O₂吸附能等于或近似等于N₂吸附能，意味着以空气为气源会存在氧气和氮气共吸附情况，后续则有ORR和NRR混杂共存；该情况既不适合NRR也不适合ORR，舍去；

S6、当也即O₂吸附能力N₂吸附能力时，说明催化剂会优先吸附氧气；越小于则选择性吸附O₂的能力越强；因考虑催化剂循环性，产物须较容易脱附或者不吸附；ORR反应产物为H₂O，所以进一步探究H₂O的吸附能，根据公式(7)；若也即H₂O的吸附能力O₂吸附能力，若当则产物不会自发脱附，但易于强吸附的反应物挤占吸附位点导致脱附；若当则产物有自发脱附的趋势；两种情况都表明满足该催化剂适合用于ORR；反之不满足则不适合做ORR，应舍去；

其中指催化剂吸附H₂O的体系总能量，指单个H₂O分子的能量；

S7、当也即O₂吸附能力N₂吸附能力时，因NRR反应产物为NH₃，所以进一步探究NH₃的吸附能，根据公式(8)；若也即NH₃的吸附能力N₂吸附能力，则该催化剂能循环NRR反应，也即能适合用于NRR；反之表明活性位点吸附产物NH₃能力太强，即催化剂活性位点被产物NH₃钝化，无法循环应舍去；

其中指催化剂吸附NH₃的体系总能量，指单个NH₃分子的能量。