【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及氧催化還原，具體涉及一種fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇以提高其orr催化性能的方法，通過(guò)包覆不同數(shù)目的pt原子簇改善富勒烯orr性能。
技術(shù)介紹
1、在能源革命不斷推進(jìn)的背景下，氫能被視為構(gòu)建全球新能源體系的重要起點(diǎn)。在眾多氫轉(zhuǎn)化和利用裝置中，質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)于其諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是低溫可用性，被認(rèn)為是最具民用潛力的。在pemfc陰極，氧還原反應(yīng)(orr)發(fā)生緩慢，抑制了其轉(zhuǎn)換效率。目前，鉑(pt)基催化劑的orr活性最高，在pemfc的早期推廣過(guò)程中作為商業(yè)化催化劑使用。鑒于鉑是稀有且高價(jià)的貴金屬，因此對(duì)于新型催化劑的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，故其設(shè)計(jì)宗旨是減少催化劑中鉑的使用量的同時(shí)使其具有類(lèi)pt催化性能。
2、富勒烯其固有的電催化活性較低，但由于其獨(dú)特的剛性球形分子結(jié)構(gòu)，所有sp2雜化碳原子和特殊的電子親和力，其復(fù)合材料已被廣泛用作電催化劑。此外，目前已有對(duì)一些改性富勒烯材料的探索研究，如合成了碳原子被另一種雜元素取代的雜富勒烯衍生物，并報(bào)道其可以作為潛在的orr催化劑。同時(shí)，單原子催化劑(sacs)也迅速成為電催化領(lǐng)域的研究前沿。金屬納米顆粒或金屬團(tuán)簇之間的協(xié)同作用已被證明達(dá)到了電化學(xué)活性的新高度。2022年，feng等人成功地合成了一種ru納米顆粒封裝的類(lèi)氧富勒烯碳籠，該碳籠由單原子runx物種裝飾，錨定在氮摻雜的碳襯底上，在酸和堿中都表現(xiàn)出出色的her電催化性能，并且這種合成方法可以推廣到過(guò)渡金屬pt。
3、第一性原理計(jì)算方法是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速興起的一種與實(shí)驗(yàn)、理
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)針對(duì)富勒烯材料可作為orr催化劑且作為商業(yè)化催化劑的鉑(pt)基催化劑成本高、易失活的缺點(diǎn)，提供了一種減少催化劑中鉑的使用量并且提高其orr催化性能的方法。該方法基于量子化學(xué)計(jì)算中的密度泛函理論計(jì)算，通過(guò)計(jì)算fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇的結(jié)合能、orr?4e-路徑的自由能、電子態(tài)密度和電荷差分密度來(lái)表征fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇的orr催化性能并分析催化活性提高的本征原因。
2、本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇以提高其orr催化性能的方法，構(gòu)建fen4摻雜c180模型以及不同數(shù)量pt簇對(duì)fen4c180進(jìn)行摻雜的若干模型，利用第一性原理的密度泛函理論，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化后判斷其穩(wěn)定性，并計(jì)算其orr?4e-反應(yīng)路徑自由能圖，依據(jù)數(shù)據(jù)篩選orr催化性能最佳的pt簇?fù)诫s后的fen4c180，并計(jì)算電子態(tài)密度和電荷差分密度分析其催化活性的本征原因。
3、進(jìn)一步的，具體步驟為：
4、步驟1、利用device?studio軟件，對(duì)c180模型進(jìn)行fen4摻雜，構(gòu)建fen4c180模型；
5、步驟1.1、在c180模型中的一個(gè)含有六個(gè)c原子的碳圓環(huán)中上下四個(gè)c原子替代為n原子；
6、步驟1.2、左右兩個(gè)c原子刪去一個(gè)并將剩余一個(gè)c原子替代為fe原子，建立fen4c180晶胞。
7、步驟2、對(duì)fen4c180模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以獲得能量最低的摻雜模型；
8、步驟2.1、設(shè)置結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，包括平面波截?cái)嗄堋點(diǎn)選擇、電子自洽迭代和離子弛豫收斂的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中電子自洽迭代和離子弛豫的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為能量收斂至10-5ev和原子力收斂至采用dft-d3(d代表色散)法對(duì)fen4c180模型中的原子間相互作用進(jìn)行g(shù)rimme’s?van?der?waals(vdw)校正。
9、步驟3、在優(yōu)化后的fen4c180模型中包覆不同數(shù)量的pt簇以獲得ptx@fen4c180模型，中x＝5-13；
10、步驟3.1、利用abcluster軟件搜索pt簇的全局最小值，力場(chǎng)使用sutton-chen勢(shì)，搜索原子數(shù)量為5-13的pt簇；
11、步驟3.2、將搜索出來(lái)的具有全局最小值的pt簇包覆至優(yōu)化后的fen4c180后，獲得ptx@fen4c180模型。
12、步驟4、對(duì)ptx@fen4c180模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以獲得能量最低的摻雜模型；
13、步驟4.1.1、設(shè)置結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，包括平面波截?cái)嗄堋點(diǎn)選擇、電子自洽迭代和離子弛豫收斂的預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中電子自洽迭代和離子弛豫的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為能量收斂至10-5ev和原子力收斂至采用dft-d3(d代表色散)方法對(duì)fen4c180模型中的原子間相互作用進(jìn)行g(shù)rimme’s?van?der?waals(vdw)校正。
14、步驟5、將優(yōu)化后的各模型進(jìn)行自洽計(jì)算，通過(guò)計(jì)算ptx@fen4c180結(jié)構(gòu)的能量與結(jié)合前模型的能量的差值，即e(ptx@fen4c180)-e(ptx)-e(fen4c180)，得到結(jié)合能eb，判斷ptx@fen4c180模型能不能穩(wěn)定存在；當(dāng)材料的結(jié)合能小于零時(shí)，才可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合能越負(fù)表示結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；
15、步驟6、在ptx@fen4c180模型能夠穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)上，確定ptx@fen4c180模型在orr4e-機(jī)制下的催化性能；
16、步驟6.1、在優(yōu)化完成后的ptx@fen4c180模型中，構(gòu)建orr中間物種*o、*oh、*ooh在活性位fe上的吸附模型；
17、步驟6.2、對(duì)*o、*oh、ooh模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，參數(shù)設(shè)置與步驟2相同；
18、步驟6.3、完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，進(jìn)行靜態(tài)自洽計(jì)算以獲得*o、*oh、*ooh模型的能量；
19、步驟6.4、計(jì)算orr?4e-路徑中各路徑的自由能變化值δg和平衡電位下的熱力學(xué)過(guò)電位ηη；
20、步驟6.5、繪制orr反應(yīng)路徑自由能圖，比較各模型的orr熱力學(xué)過(guò)電位ηη；
21、步驟6.6、根據(jù)比較結(jié)果判斷出各模型在orr中的催化性能，確定pt10@fen4c180的催化效果最佳。
22、步驟7、計(jì)算ptx@fen4c180的態(tài)密度圖和差分電荷密度圖，從態(tài)密度圖推測(cè)各模型與orr中間物種結(jié)合的強(qiáng)弱，得出orr催化性能改變的本征原因。
23、上述方案中，orr?4e-機(jī)制如下：
24、o2+h++e-→*ooh???????????????????????????(式1)
25、*ooh+h++e-→*本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：構(gòu)建FeN4摻雜C180模型以及不同尺寸Pt簇對(duì)FeN4C180進(jìn)行摻雜的若干模型，利用密度泛函理論，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化后判斷其穩(wěn)定性，并計(jì)算其ORR?4e-反應(yīng)路徑自由能圖，依據(jù)數(shù)據(jù)篩選ORR催化性能最佳的Pt簇?fù)诫s后的FeN4C180，并計(jì)算電子態(tài)密度和電荷差分密度分析其催化活性提高的本征原因。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的?一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：具體步驟為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種FeN摻雜富勒烯包覆不同尺寸Pt簇以提高其ORR催化性能的方法，其特征在于：
<...【技術(shù)特征摘要】
1.一種fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇以提高其orr催化性能的方法，其特征在于：構(gòu)建fen4摻雜c180模型以及不同尺寸pt簇對(duì)fen4c180進(jìn)行摻雜的若干模型，利用密度泛函理論，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化后判斷其穩(wěn)定性，并計(jì)算其orr?4e-反應(yīng)路徑自由能圖，依據(jù)數(shù)據(jù)篩選orr催化性能最佳的pt簇?fù)诫s后的fen4c180，并計(jì)算電子態(tài)密度和電荷差分密度分析其催化活性提高的本征原因。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的?一種fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇以提高其orr催化性能的方法，其特征在于：具體步驟為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種fen摻雜富勒烯包覆不同尺寸pt簇以提高其orr催化性能的方法，其特...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊娜，羅俊淋，牛曉濱，劉偉，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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