[发明专利]一种金属-氮-碳固氮电催化剂的设计方法

权利要求书

1.一种金属-氮-碳固氮电催化剂的设计方法，其特征在于：所述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；

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7，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；

步骤9、计算金属-氮掺杂碳材料的第一个氢化步骤(*N₂+H⁺+e^-→*N₂H)和产生最后一个NH₃分子步骤(*NH₂+H⁺+e^-→*NH₃)的吉布斯自由能变化值；

步骤10、如果第一个氢化步骤的吉布斯自由能变化值和产生最后一个NH₃分子步骤的吉布斯自由能变化值同时满足小于1.0eV，执行步骤11，否则执行步骤13；

步骤11、根据固氮反应机制构建及优化各个中间体吸附态，并计算固氮反应机制的每一步的吉布斯自由能变化值，在所有吉布斯自由能变化值为正值的步骤中，吉布斯自由能变化值最大的步骤即为整个固氮反应的决速步骤；

步骤12、如果金属-氮-碳材料决速步骤的吉布斯自由能变化值小于0.5eV，则为性能优异的氮还原催化剂，如果决速步骤的吉布斯自由能变化值大于等于0.5eV执行步骤13；

步骤13、放弃；

其中，步骤1中通过金属负载类型和不同的氮配位利用MaterialsStudio软件的结构库构建金属-氮掺杂碳材料模型，并得到相应的CIF文件，然后结合VESTA软件将CIF文件转化为VASP软件计算所需的POSCAR文件；

步骤2中利用步骤1的POSCAR文件并结合设置计算所需的INCAR和KPOINTS文件，优化金属-氮掺杂碳材料的几何结构，得到相应的CONTCAR文件，利用VESTA软件得到结构的关键键长、键角和能量的信息；

步骤3中根据步骤2获得的能量信息，利用公式(1)计算金属-氮掺杂碳材料的结合能E_b：

E_b＝E(MN₄-MN₄/C)–E(NC)–E(M_总)(1)

其中，E(MN₄-MN₄/C)为金属-氮掺杂碳材料整体的能量，E(NC)为不包含金属原子的氮掺杂碳材料的能量，E(M_总)为所有金属单原子的能量总和，M_总代表所有金属单原子；

步骤5中根据公式(2)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

其中，*代表金属-氮掺杂碳材料，*N₂代表N₂吸附在金属-氮掺杂碳材料表面，每种结构的吉布斯自由能为G＝E+E_ZPE–TS，E为结构的电子能量，E_ZPE为零点能，S为熵，温度T的取值为298.15K；

步骤7中根据公式(3)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ΔG_*H：

其中，*H代表H原子吸附在金属-氮掺杂碳材料表面，质子和电子的能量和等于1/2氢气的能量；

步骤9中利用公式(4)计算第一个氢化步骤(*N₂+H⁺+e^-→*N₂H)的吉布斯自由能变化值ΔG(*N₂+H⁺+e^-→*N₂H)：

利用公式(5)计算产生最后一个NH₃分子步骤(*NH₂+H⁺+e^-→*NH₃)的吉布斯自由能变化值ΔG(*NH₂+H⁺+e^-→*NH₃)：

其中，*N₂H和*NH₃分别代表N₂H和NH₃吸附在金属-氮掺杂碳材料表面。

2.根据权利要求1所述设计方法，其特征在于步骤11中固氮反应机制为远端、交替、连续和酶促机制。