[发明专利]一种还原二氧化碳单原子合金电催化剂的设计方法

说明书

本发明公开了一种还原二氧化碳单原子合金电催化剂的设计方法，属于化学和材料领域。本发明要解决大量的试错实验会造成大的时间和成本代价的问题。本发明结合第一性原理计算，以形成能作为判断材料热力学稳定依据，以溶解电位为判断电化学环境稳定性依据，筛选出高稳定性的单原子合金材料。再利用第一性原理计算方法研究满足稳定性标准的单原子合金材料的电催化还原二氧化碳性能，筛选出抑制析氢反应，对二氧化碳还原性能选择性高的催化剂。本发明为实验研究提供直接的理论指导，相比于人力实验，改善筛选速度，避免大量试错实验造成的能源、时间和成本损失。

技术领域

本发明属于化学和材料领域，具体地说，涉及一种基于第一性原理的具有催化二氧化碳还原反应活性的单原子合金电催化剂的设计方法。

背景技术

甲烷是一种重要的燃料和工业原料，广泛应用于医药、化工、能源、军工等领域。目前工业合成甲烷仍采用煤制合成气甲烷化方法，该方法在汽化炉中进行，所需工艺要求较高，在经济和时间成本都耗费过大，并且难以揭示反应特征。利用电化学方法在电化学环境下催化二氧化碳还原反应合成甲烷，具有绿色清洁、低能耗、易控制等优点，成为替代煤制甲烷法的工业制备潜力方法之一。然而，现有电催化剂在催化二氧化碳还原反应时，受催化剂材料固有性质限制以及竞争副反应影响，存在选择性低、贵金属材料成本高、法拉第效率低等问题，尚无法满足工业生产甲烷的要求。因此，开发高稳定性、高选择性的二氧化碳还原反应电催化剂，是近年来的研究热点。

单原子催化剂兼顾主要组成材料的高选择性和次要组成材料的高活性，显示出不同于传统合金的独特性质，具有高选择性、高原子利用率和可调的高活性，显现出较高的电催化还原二氧化碳潜力。具有丰富d电子的过渡金属具有高导电性和对二氧化碳产物高选择性，在电催化还原二氧化碳方面占一席之地。通过两种金属成键作用将另一种过渡金属原子铆定在主体金属表面，可形成一系列孤立金属原子和惰性金属表面的电催化剂。这些双金属单原子催化剂具有特定的暴露活性位点，是具有前途的电催化还原二氧化碳材料之一。然而这些催化剂在合成表征时反应条件难以确定，缺乏理论指导，催化系统也不尽一致，大量的试错实验会造成大的时间和成本代价，在预测设计方面带来一定阻碍。因此需要开发一种具有高效电化学还原二氧化碳的单原子合金材料。

发明内容

受到实验条件和成本的约束，目前单原子合金的催化性能多以设计制备→表征验证性能的方案，这导致催化剂设计缺乏系统理论指导，性能无法预测。

本发明基于第一性原理模拟方法，开发出一种筛选具有还原二氧化碳性能的单原子合金材料的方法，为实验制备验证提供必要的理论指导，推动新型催化剂的研究进度，同时揭示催化反应机理。

本发明针对电催化材料而言，其本身稳定性可以反应催化材料稳定循环性。设计不同组成的单原子合金材料，结合第一性原理计算，以形成能作为判断材料热力学稳定依据，以溶解电位为判断电化学环境稳定性依据，筛选出高稳定性的单原子合金材料。再利用第一性原理计算方法研究满足稳定性标准的单原子合金(SAA)材料的电催化还原二氧化碳性能，筛选出抑制析氢反应，对二氧化碳还原性能选择性高的催化剂。

为了实现上述技术问题，本发明采取了以下的技术方案：

本发明的目的在于提供一种还原二氧化碳单原子合金电催化剂的设计方法，所述设计方法是通过下述步骤实现的：

构建单原子合金材料模型，模型包括多种金属种类和不同镶嵌位点；

对构建的模型进行优化，得到结构和能量信息；

根据能量信息计算单原子合金材料的稳定性，具体包括计算形成能ΔE_f(α)和溶解电势U_diss；

当U_diss0且ΔE_f(α)0，计算一氧化碳和氢原子吸附在单原子合金材料活性位点的吉布斯自由能ΔG_*CO和ΔG_*H，活性位点通过结构信息获得；