本發(fā)明涉及電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理的，特別涉及基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法。

背景技術(shù)：

1、單原子催化劑是一種將金屬原子高度分散在載體上的多相催化劑，該材料因其均一的催化活性位點(diǎn)、原子的最大利用率等優(yōu)點(diǎn)，日益引起人們的重視。此外，由于其均一的催化活性，使得研究其性質(zhì)機(jī)理更為方便。

2、石墨二炔是一種二維層狀材料，是由sp雜化和sp2雜化的碳原子構(gòu)成的晶體，具有高度共軛的多孔結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性和可控電子結(jié)構(gòu)。由于其均一的多孔結(jié)構(gòu)，使得其成為單原子催化劑最佳載體之一。由其構(gòu)成的單原子催化劑在各個(gè)領(lǐng)域都有涉及，例如co的氧化、二氧化碳的還原、氫化作用、氮的還原反應(yīng)、氧還原反應(yīng)等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是，提供基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，測(cè)試其穩(wěn)定性，分析其電子結(jié)構(gòu)以及吸附氫氣的性能進(jìn)行評(píng)估，為催化劑設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于第一原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，基于第一性原理計(jì)算得出石墨二炔負(fù)載四種過(guò)渡金屬(ni,fe,mo,ru)的幾何構(gòu)型,計(jì)算石墨二炔負(fù)載四種金屬與其相近的碳原子形成的化學(xué)鍵強(qiáng)度來(lái)檢驗(yàn)催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，構(gòu)建吸附氫氣的模型，對(duì)模型進(jìn)行幾何優(yōu)化，確定吸附氫氣穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)產(chǎn)生吸附氫氣時(shí)的波函數(shù)文件，使用multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出金屬元素與氫氣結(jié)合形成化學(xué)鍵強(qiáng)度，用來(lái)評(píng)估氫氣與催化劑結(jié)合方式，最后計(jì)算吸附氫氣的吸附能，結(jié)合化學(xué)鍵強(qiáng)度評(píng)估氫氣的吸附情況。本發(fā)明為適用于吸附氫氣催化劑的設(shè)計(jì)，活化氫氣，降低氫氣分解所需能量，以用來(lái)節(jié)約成本，同時(shí)可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向。

3、所述方法包含以下步驟：

4、(1)獲取石墨二炔原胞結(jié)構(gòu)文件，文件格式為.cif，原胞文件在materialsproject晶體數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。將.cif文件轉(zhuǎn)化為.gjf文件，將石墨二炔擴(kuò)胞為2*2*1的超胞，命名為supercell.gjf；

5、(2)利用supercell.gjf生成test.inp文件，對(duì)石墨二炔進(jìn)行截?cái)嗄芎蚹點(diǎn)收斂性測(cè)試；

6、(3)利用supercell.gjf生成opt.inp文件，使用cp2k軟件對(duì)石墨二炔2*2*1的超胞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)得到的.restart文件生成優(yōu)化后的.gjf文件，此文件為優(yōu)化后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)型；

7、(4)分別構(gòu)建ni,fe,mo,ru負(fù)載到石墨二炔2*2*1的超胞上的結(jié)構(gòu)模型，生成.inp文件，對(duì)四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量計(jì)算，在輸出文件中得到負(fù)載四種不同金屬的石墨二炔2*2*1的超胞的能量并得到波函數(shù).molden文件；

8、(5)對(duì)步驟4所得波函數(shù).molden文件進(jìn)行分析，計(jì)算mayer鍵級(jí)，并用繪圖軟件將其表現(xiàn)出來(lái)；

9、(6)構(gòu)建負(fù)載四種不同金屬的石墨二炔吸附氫氣的結(jié)構(gòu)模型，生成.inp文件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)輸出文件得到負(fù)載四種不同金屬的石墨二炔吸附氫氣的穩(wěn)定構(gòu)型，并對(duì)優(yōu)化好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量計(jì)算，在輸出文件中得到四種結(jié)構(gòu)的最終能量并得到波函數(shù).molden文件；

10、(7)計(jì)算一個(gè)氫氣分子的能量，然后計(jì)算氫氣的吸附能；

11、(8)對(duì)步驟5所得波函數(shù).molden文件進(jìn)行分析，計(jì)算mayer鍵級(jí)，并用繪圖軟件將其表現(xiàn)出來(lái)；

12、(9)步驟2中，截?cái)嗄軠y(cè)試結(jié)果為400ry，k點(diǎn)測(cè)試后選用221的k點(diǎn)；

13、(10)步驟4中，構(gòu)建模型時(shí)在模型上方留下15埃的真空區(qū)，負(fù)載金屬為單原子，構(gòu)成單原子催化劑；

14、(11)步驟5中，使用multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析；

15、(12)步驟6中，構(gòu)建模型時(shí)在模型上方留下15埃的真空區(qū)；

16、(13)步驟7中，吸附能的計(jì)算公式為eads＝etot-eadsorbate-ecatalysts，其中eads為吸附能，etot為吸附氫氣后的總能量，eadsorbate為氫氣的能量，ecatalysts為石墨二炔負(fù)載單金屬原子能量；

17、(14)步驟8中，使用multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析，使用vmd進(jìn)行繪圖。

18、有益效果

19、基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，從理論計(jì)算的角度設(shè)計(jì)單原子催化劑，活化氫氣，分解氫氣為單個(gè)氫自由基，提供氫源，為實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.基于第一原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施：

2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟(2)中，截?cái)嗄軠y(cè)試結(jié)果為400ry，k點(diǎn)測(cè)試后選用221的k點(diǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟(4)中，構(gòu)建模型時(shí)在模型上方留下15埃的真空區(qū)，負(fù)載金屬為單原子，構(gòu)成單原子催化劑。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟(5)中，使用multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟(6)中，構(gòu)建模型時(shí)在模型上方留下15埃的真空區(qū)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟7中，吸附能的計(jì)算公式為eads＝etot-eadsorbate-ecatalysts，其中eads為吸附能，etot為吸附氫氣后的總能量，eadsorbate為氫氣的能量，ecatalysts為石墨二炔負(fù)載單金屬原子能量。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于第一性原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，其特征在于：步驟(8)中，使用multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析，使用vmd進(jìn)行繪圖。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于第一原理計(jì)算石墨二炔負(fù)載過(guò)渡金屬吸附氫氣的方法，基于第一性原理計(jì)算得出石墨二炔負(fù)載四種過(guò)渡金屬(Ni,Fe,Mo,Ru)的幾何構(gòu)型,計(jì)算石墨二炔負(fù)載四種金屬與其相近的碳原子形成的化學(xué)鍵強(qiáng)度來(lái)檢驗(yàn)催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，構(gòu)建吸附氫氣的模型，對(duì)模型進(jìn)行幾何優(yōu)化，確定吸附氫氣穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)產(chǎn)生吸附氫氣時(shí)的波函數(shù)文件，使用Multiwfn軟件對(duì)波函數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出金屬元素與氫氣結(jié)合形成化學(xué)鍵強(qiáng)度，用來(lái)評(píng)估氫氣與催化劑結(jié)合方式，最后計(jì)算吸附氫氣的吸附能，結(jié)合化學(xué)鍵強(qiáng)度評(píng)估氫氣的吸附情況，本發(fā)明為適用于吸附氫氣催化劑的設(shè)計(jì)，活化氫氣，降低氫氣分解所需能量，以用來(lái)節(jié)約成本，同時(shí)可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向。

技術(shù)研發(fā)人員：張潤(rùn)澤,牛曉巍,王程欣,唐藝炫,黃嘉怡,張鎵麟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽(yáng)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19