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专利号: 2022107004953
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电气元件
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种筛选锰基单原子催化剂催化活性的阴离子表面修饰方法,其特征在于,按照如下的步骤顺序依次进行:S1、构建阴离子官能团吸附模型

基于实验反应条件、前驱体、催化剂工作条件信息,构建阴离子官能团吸附催化剂活性中心的计算模型,并基于密度泛函理论进行结构驰豫;根据计算结果,综合考虑吸附位点、阴离子官能团朝向、吸附能、结构稳定性来选择最佳改性模型;

构建阴离子官能团吸附模型按照如下的步骤顺序依次进行:

S11、Mn‑N‑C催化剂建模:构建5×5单层石墨烯模型,并根据实验数据建立负载于石墨烯的MnN4单原子活性中心,进行结构驰豫得到稳定结构;

S12、阴离子官能团吸附模型建模:考虑实验制备条件、前驱体、催化剂工作条件,考虑催化剂吸附活性位点、阴离子官能团活性位点、阴离子官能团空间构型,构建不同阴离子及阴离子官能团对催化剂表面修饰,通过结构驰豫,确定吸附状态,获得结构最稳定的几何构型;

S2、确定氧还原活性位点

通过考虑氧气分子不同吸附构型、空间朝向,设计*O2模型并进行结构驰豫,通过能量计算和动力学稳定性计算,排除具有虚频的结构,确定O2分子吸附位点;

S3、构建氧还原反应关键中间体模型

从*O2模型出发,考虑质子化过程中H离子吸附的可能构型,设计关键含氧中间体*O、 *OH及*OOH的模型并进行结构驰豫,选取能量稳定、空间位阻允许的结构进行频率校正、熵校正计算,以获得稳定中间体的自由能;

S4、计算催化活性

以计算得到关键含氧中间体自由能数据作为纵坐标,以基元反应中间物种为横坐标,绘制氧还原反应自由能变化曲线图,并确定催化过程中的决速步,通过自由能的计算筛选出催化活性良好的催化活性中心;

S5、构建催化活性火山图

通过考虑几种关键含氧中间体自由能变化与催化活性关系,选取*OH中间体自由能为横坐标,过电位负值为纵坐标,构建反应催化活性变化规律的曲线,即催化活性火山图,进而通过构建的选定的阴离子或阴离子官能团表面修饰的锰基单原子催化剂的过电势与商业Pt/C进行比对,筛选出具有优异催化活性的阴离子官能团表面修饰的锰基单原子催化剂。

2.根据权利要求1所述的一种筛选锰基单原子催化剂催化活性的阴离子表面修饰方法,其特征在于,计算软件为Vienna Abinitio Simulation Package软件。

3.根据权利要求1所述的一种筛选锰基单原子催化剂催化活性的阴离子表面修饰方法,其特征在于,步骤S1、S2和S3中,计算所采用的方法均基于DFT的第一性原理并使用Vienna Abinitio Simulation Package计算。

4.根据权利要求1所述的一种筛选锰基单原子催化剂催化活性的阴离子表面修饰方法,其特征在于,步骤S4和S5中,通过计算氢电极模型获得基本反应步骤的吉布斯自由能变化。