[发明专利]铜表面掺杂VIII族金属促进甲烷分解的模拟仿真方法

说明书

本发明公开了一种铜表面掺杂VIII族金属促进甲烷分解的模拟仿真方法，包括以下步骤：建立Cu(111)表面和VIII族金属掺杂的Cu(111)表面共10种表面模型；根据密度泛函理论，优化Cu(111)表面和VIII族金属掺杂的Cu(111)表面甲烷分解反应始态和终态的结构，确定反应能E；根据反应始态和终态的结构搜寻反应过渡态的结构确定活化能E*；分析不同掺杂元素对甲烷分解反应的影响，筛选比较合适的掺杂元素。本发明的模拟仿真结果显示，在VIII族9种金属中，Ru或Rh掺杂的Cu(111)表面对甲烷分解反应最有利，甲烷的基元反应的活化能与反应能呈线性关系，可以用来预测其它掺杂金属对甲烷分解反应的影响，该发明为开发新型高效催化材料奠定理论基础，能更好地指导实验过程，更加省时省力。

技术领域

本发明属于催化甲烷分解技术领域，具体涉及一种铜表面掺杂VIII族金属促进甲烷分解的模拟仿真方法。

背景技术

甲烷是天然气的主要成分，当今世界天然气的产量持续增加，使得甲烷转化为高附加值的化学品成为催化领域的热门课题。例如，甲烷重整制合成气、甲烷氧化制甲醇、甲烷裂解制氢气等。另一方面，甲烷也是温室气体之一，会导致地球表面温室效应不断增加，甲烷的催化转化有利于缓解温室效应。然而，甲烷是一种非常稳定的分子，打破甲烷中的C-H键需要很高的热量，因此，甲烷的活化具有很大挑战性。

在常用的铜基催化剂表面掺杂过渡金属，通过两种金属的协同作用可以降低反应的活化能，使得甲烷的活化在更低的温度下发生，有效的节约能源，筛选出一种合适的金属进行掺杂具有重要意义。现有技术中大多采用实验的方法制备研究催化剂，当需要研究多种过渡金属的掺杂时，需要花费很多的时间、人力和物力。

密度泛函理论经过多年的发展和改进，形式更加精确，计算程序和算法更加高效，已经发展为模拟计算领域的一种重要工具和手段，其计算精度能够满足多种研究工作的需求，在材料、物理、化学等领域中有广泛的应用。用该方法来模拟甲烷分解过程，筛选一种合适的能有效促进甲烷分解的催化剂对实验研究具有很重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中甲烷分解反应所需能量较高,需筛选一种合适的金属进行掺杂以降低反应活化能，但是实验方法耗时耗力的问题，提供一种铜表面VIII族金属促进甲烷分解的模拟仿真方法。

本发明所涉及的一种铜表面掺杂VIII族金属促进甲烷分解的模拟仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤:

S1：建立Cu(111)表面和VIII族金属掺杂的Cu(111)表面共10种表面模型，10种表面模型分别以Fe-Cu、Co-Cu、Ni-Cu、Ru-Cu、Rh-Cu、Pd-Cu、Pt-Cu、Os-Cu、Ir-Cu、Cu表示，其中，VIII族金属掺杂方式为替代Cu(111)表面第一层的1个Cu 原子；

S2：根据密度泛函理论，优化Cu(111)表面和VIII族金属掺杂的Cu(111)表面甲烷分解反应始态和终态的结构，确定反应能E。反应能E的计算方法为，用基元反应终态的能量减去始态的能量。如果数值为正值，表示该基元反应为吸热反应，如果数值为负值，表示该基元反应为放热反应；

S3：根据反应始态和终态的结构搜寻反应过渡态的结构并确定反应活化能E*，活化能的计算方法为，用过渡态的能量减去反应始态的能量，数值越大表示反应越难发生；

S4：分析不同掺杂元素对甲烷分解反应的影响，筛选比较合适的掺杂元素。

进一步地，所述步骤S1的Cu(111)表面模型构建方法为，选取p(3×3)超晶胞构建模型，选取4层原子厚度，选取真空层厚度为15 Å，把第一层的一个Cu原子替换为VIII族金属即可得到VIII族金属掺杂的Cu(111)表面模型。