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专利号: 2022104357633
申请人: 江西理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-09
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述筛选方法包括如下步骤:步骤S1:通过不同渠道获取REO晶体模型并优化得到最优结构,基于热力学判断不同晶面的生长优先性,获取不同晶面的生长规律及最终晶体以优先生长晶面自限形成特定的晶型,建立m×n×k超晶胞,根据优先生长晶面确定目标组分构成的具有特定晶型的团簇构型,移除多余原子构建最小尺寸的团簇模型,进一步优化模型,确定最稳定的最小REO团簇构型;

步骤S2:将步骤S1中得到的团簇构型以点、线、面接触负载在碳基材料上,计算团簇与碳基底成键的形成能ΔEb,根据ΔEb<0eV筛选稳定的催化剂构型;并根据能量最低原则分别确定点、线、面负载型式的最优构型;

步骤S3:按照氧还原反应ORR筛选机制筛选高效ORR催化剂并划归ORR催化剂候选区;具体方法为:步骤S31:构建催化剂不同活性中心的O2吸附模型,选取能量最低的吸附模型,计算催化剂对于O2的吸附能ΔE*O2,根据ΔE*O2<–0.5eV筛选O2充分吸附的催化剂模型;

步骤S32:构建催化剂对H2O的吸附模型并优化结构,计算催化剂对H2O的吸附能ΔE*H2O;

为避免催化剂遭溶剂钝化,保证催化剂的循环性,根据ΔE*O2<ΔE*H2O筛选弱H2O吸附或不吸附的催化剂;

步骤S33:构造OH吸附模型并优化构型,计算OH吸附能ΔE*OH,以ΔE*OH>–3.5eV为界初步筛选适当OH吸附的催化剂;若ΔE*OH<–3.5eV,说明OH难以脱附,将OH作为配体,并入ORR筛选机制重新筛选,继续探讨在OH配位情况下其它活性位点的催化性能;

步骤S34:考虑零点振动能与熵对吉布斯自由能的影响,对OH吸附模型进行更进一步计算,得到更为准确的OH吸附自由能ΔG*OH,根据ΔG*OH>0.4eV,更为精准的筛选适当OH吸附的催化剂;对于ΔG*OH<0.4eV的OH吸附模型,将OH作为配体,并入ORR筛选机制重新筛选,继续探讨在OH配位情况下其它活性位点的催化性能;

步骤S35:根据ΔG*OH>1.6eV舍弃过弱OH吸附甚至不吸附的催化剂;

步骤S36:分别计算吸附的OOH与游离H2O副反应生成HOOH的反应能ΔG*OOH→HOOH及主反应ORR ORR生成吸附O和游离OH–的反应能ΔG2 ;根据ΔG*OOH→HOOH>ΔG2 ,筛选对于主反应能量更有利的催化剂;

ORR ORR

步骤S37:确定4步电子转移过程的反应能,计算ORR过电势η 大小,将η <0.8V划归高* * *效ORR催化剂候选区;所述4步电子转移过程分别为:O2+*+H2O+e–→OOH+OH–;OOH+e–→O+* * *OH–;O+H2O+e–→OH+OH–;OH+e–→*+OH–;

其中,所述*为催化剂的活性位点;

步骤S4:按照析氧反应OER筛选机制筛选高效OER催化剂并划归OER催化剂候选区;具体方法为:步骤S41:计算OH吸附能ΔE*OH,根据ΔE*OH<–1eV筛选OH充分吸附的模型;

步骤S42:计算催化剂对H2O的吸附能ΔE*H2O,根据ΔE*OH<ΔE*H2O筛选适当OH和H2O吸附的催化剂;

步骤S43:计算催化剂对于O2的吸附能ΔE*O2,根据ΔE*O2>–1V筛选较弱O2吸附的催化剂模型;

步骤S44:考虑零点振动能与熵对吉布斯自由能的影响,对OH吸附模型进行更进一步计算,得到更为准确的OH吸附自由能ΔG*OH,根据ΔG*OH>0.4eV,更为精准的筛选适当OH吸附的催化剂;对于ΔG*OH<0.4eV的OH吸附模型,将OH作为配体,并入OER筛选机制重新筛选,继续探讨在OH配位情况下其它活性位点的催化性能;

步骤S45:根据ΔG*OH>1.6eV剔除OH吸附太弱的催化剂;

步骤S46:分别计算吸附的OH与游离OH–副反应生成HOOH的反应能ΔG*OH→HOOH以及主反应OER OER生成吸附O和游离H2O的反应能ΔG2 ;根据ΔG*OH→HOOH>ΔG2 ,筛选对于主反应能量更有利的催化剂;

OER OER

步骤S47:确定4步电子转移过程的反应自由能,计算OER过电势η 大小,将η <0.8V的– – –催化剂划入高效OER催化剂候选区;所述4步电子转移过程为:OH+*→*OH+e;*OH+OH→*O+– – – – –H2O+e;*O+OH→*OOH+e;*OOH+OH→O2+*+H2O+e;

其中,所述*为催化剂的活性位点;

步骤S5:将ORR和OER筛选机制得到的催化剂进行汇总,对于只存在于高效ORR催化剂候选区的催化剂应用于一次燃料电池/金属空气电池的正极催化;只存在于高效OER催化剂候选区的催化剂则用于析氧反应领域;对于同时存在于高效ORR和OER候选区的催化剂,应用于二次燃料电池/金属空气电池的氧电极催化;

所述步骤S36中计算吸附的OOH与游离H2O副反应生成HOOH的反应能ΔG*OOH→HOOH及主反ORR应生成吸附O和游离OH–的反应能ΔG2 的具体方法为:ΔG*OOH→HOOH=GHOOH+G*+[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]–G*OOH–GH2OORR

ΔG2 =G*O+GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)–G*OOH其中,G*是指REO团簇负载碳基催化剂的吉布斯自由能,G*OOH和G*O分别是指催化剂吸附OOH和单原子O体系的吉布斯自由能,GHOOH、GH2O和GH2分别是指单个HOOH、H2O和H2分子的吉布斯自由能,pH为催化环境的氢离子浓度指数;

所述步骤S37中确定4步电子转移过程的反应能的具体方法为:ORR

ΔG1 =G*OOH+GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)–(GO2+G*+GH2O)ORR

ΔG2 =G*O+GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)–G*OOHORR

ΔG3 =G*OH+GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)–(G*O+GH2O)ORR

ΔG4 =G*+GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)–G*OHORR * ORR * *

其中,ΔG1 为O2+*+H2O+e–→OOH+OH–的反应能,ΔG2 为OOH+e–→O+OH–的反应能,ΔORR * * ORR *G3 为O+H2O+e–→ OH+OH–的反应能,ΔG4 为OH+e–→*+OH–的反应能,G*是指REO团簇负载碳基催化剂的吉布斯自由能,G*OOH、G*O和G*OH分别是指催化剂吸附OOH、O和OH体系的吉布斯自由能,GH2O、GH2和GO2分别是指H2O、H2和O2和分子的吉布斯自由能,pH为催化环境的氢离子浓度指数;

ORR

所述计算ORR过电势η 大小的具体方法为:

ORR ORR ORR ORR ORR

η =0.402+max(ΔG1 ,ΔG2 ,ΔG3 ,ΔG4 )/eORR * ORR * *

其中,ΔG1 为O2+*+H2O+e–→OOH+OH–的反应能,ΔG2 为游离OOH+e–→O+OH–的反应ORR * * ORR *能,ΔG3 为O+H2O+e–→OH+OH–的反应能,ΔG4 为OH+e–→*+OH–的反应能,e为基元电荷;

所述步骤S46中分别计算吸附的OH与游离OH–副反应生成HOOH的反应能ΔG*OH→HOOH以及OER主反应生成吸附O和游离H2O的反应能ΔG2 的具体方法为:ΔG*OH→HOOH=GHOOH+G*–G*OH–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]OER

ΔG2 =G*O+GH2O–G*OH–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]其中,G*是指REO团簇负载碳基催化剂的吉布斯自由能,G*OOH、G*O和G*OH分别是指催化剂吸附OOH、单原子O和OH体系的吉布斯自由能,GHOOH、GH2O和GH2分别是指单个HOOH、H2O和H2分子的吉布斯自由能,pH为催化环境的氢离子浓度指数;

所述步骤S47中确定4步电子转移过程的反应能的具体方法为:OER

ΔG1 =G*OH–G*–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]OER

ΔG2 =G*O+GH2O–G*OH–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]OER

ΔG3 =G*OOH–G*O–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]OER

ΔG4 =(GO2+G*+GH2O)–G*OOH–[GH2O–(0.5GH2–0.0592×pH)]OER OER OER

其中,ΔG1 为OH–+*→*OH+e–的反应能,ΔG2 为*OH+OH–→*O+H2O+e–的反应能,ΔG3OER为*O+OH–→*OOH+e–的反应能,ΔG4 为*OOH+OH–→O2+*+H2O+e–的反应能,G*是指REO团簇负载碳基催化剂的吉布斯自由能,G*OOH、G*O和G*OH分别是指催化剂吸附OOH、O和OH体系的吉布斯自由能,GH2O、GH2和GO2分别是指H2O、H2和O2和分子的吉布斯自由能,pH为催化环境的氢离子浓度指数;

OER

所述计算OER过电势η 大小的具体方法为:

OER OER OER OER OER

η =max(ΔG1 ,ΔG2 ,ΔG3 ,ΔG4 )/e–0.402OER OER OER

其中,ΔG1 为OH–+*→*OH+e–的反应能,ΔG2 为*OH+OH–→*O+H2O+e–的反应能,ΔG3OER为*O+OH–→*OOH+e–的反应能,ΔG4 为*OOH+OH–→O2+*+H2O+e–的反应能,e为基元电荷。

2.如权利要求1所述的一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述步骤S1中不同渠道获取REO晶体结构模型为晶体结构网站、文献渠道。

3.如权利要求1所述的一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述步骤S2中团簇构型以点、线、面接触负载在碳基材料上,所述点形式为O–C和RE–C,所述线形式为Line–C,所述面形式为Face–C;所述步骤S2中计算团簇与碳基底成键的形成能ΔEb的具体方法为:ΔEb=E*–EC–EREO

其中,E*指REO团簇负载碳基催化剂的能量,EC和EREO分别指碳基和REO团簇分子的能量。

4.如权利要求1所述的一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述步骤S31和步骤S43中计算催化剂对于O2的吸附能ΔE*O2的具体方法为:ΔE*O2=E*O2–E*–EO2

其中,E*指REO团簇负载碳基催化剂的能量,E*O2是指催化剂吸附O2的体系总能量,EO2是指单个O2分子的能量;

所述步骤S32和步骤S42中计算催化剂对H2O的吸附能ΔE*H2O的具体方法为:ΔE*H2O=E*H2O–E*–EH2O

其中,E*指REO团簇负载碳基催化剂的能量,E*H2O是指催化剂吸附H2O的体系能量,EH2O是指H2O分子的能量。

5.如权利要求1所述的一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述步骤S33和步骤S41中计算OH吸附能ΔE*OH的具体方法为:ΔE*OH=E*OH–E*–EOH

其中,E*指REO团簇负载碳基催化剂的能量,E*OH是指催化剂吸附OH的体系能量,EOH是指OH的能量。

6.如权利要求1所述的一种高效催化氧电极反应的稀土氧化物团簇负载碳基模型的筛选方法,其特征在于,所述步骤S34和步骤S44中计算OH吸附自由能ΔG*OH的具体方法为:ΔG*OH=G*OH–G*–(GH2O–0.5GH2)其中,G*和G*OH分别是指REO团簇负载碳基催化剂和催化剂吸附OH的体系的吉布斯自由能,GH2O和GH2分别是指单个H2O和H2分子的吉布斯自由能。