一种磁性调控Cr2C-MXene材料电催化合成氨性能的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性调控Cr2C

【技术实现步骤摘要】
一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法


[0001]本专利技术涉及计算化学领域，具体涉及一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法。

技术介绍

[0002]开发一种高效的氨合成方法对于提高现代农业产量、解决世界能源短缺和环境可持续性问题至关重要。在当前工业生产中，氨的合成主要依赖于需要200个大气压及500摄氏度的哈伯反应，所需要的反应条件极为严苛，不仅大量消耗化石能源，同时造成了大量CO2的排放。电催化方法被认为是高耗能高环境污染的哈伯法工业合成氨的重要替代手段。然而，直到现在，确定一种令人满意的具有低过电位和高法拉第效率(FE)的电催化eNRR过程仍然具有挑战。贵金属催化剂，如Au和Pb，仍是电催化氮还原的常用催化剂，但其广泛应用受到其稀缺性和高成本的严重阻碍。因此，设计高效高选择性低成本合成氨用电催化剂，发展常温常压条件下电催化合成氨性能调控新理论和新方法迫在眉睫。
[0003]有关电催化氮还原催化剂的研究已经广泛报导。不难发现，过往工作对于NRR电催化剂设计主要集中在电荷属性调控上。而同为电子两大内禀属性之一的自旋属性对于催化性能的影响同样至关重要。自旋属性的宏观表现为磁性，探究磁性对eNRR反应的影响尤为重要。近年来，关于催化剂磁性与析氧反应(OER)、二氧化碳还原反应(CO2RR)以及氮还原反应(NRR)等电化学反应之间关系的研究方兴未艾。中科院物理所杨海涛研究员与新加坡南洋理工大学徐志杊教授合作，发现了NixFe1
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xOOH的局域自旋构型与水的氧化还原反应有很大的相关性。哈尔滨工业大学徐平教授等人，探明了在外磁场作用下电荷转移和磁电阻效应对镍基催化剂OER过程的影响机理。然而，磁性如何影响eNRR反应的产物选择性和反应效率的机理还不清楚。因而，开展磁性与eNRR反应关系的研究至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术中合成氨用电催化剂的研究中缺乏对于材料磁性对催化性能影响的探究，提供一种基于密度泛函理论的第一性原理计算调控Cr2C
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MXene材料磁性并探究磁性对电催化合成氨性能的方法。
[0005]MXenes，作为一类全新的二维材料，其本征的原子级的层状结构，使得其具有巨大的比表面积，表面含有大量官能团赋予其优良的表面结构与性能的可调性；同时MXenes含有过渡金属原子，其强关联电子的自旋
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轨道
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电荷
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晶格属性及其耦合作用的易调控性，使得其在自旋调控电化学领域有着巨大潜力。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，包括如下步骤：
[0007]S1.获取Cr2C原包的晶体结构信息，并进行结构优化，得到稳定态的Cr2C原胞；
[0008]S2.在稳定态的Cr2C原胞表面负载O官能团，并进行结构优化，得到稳定结构的Cr2CO2‑
MXene；
[0009]S3.对稳定结构的Cr2CO2‑
MXene进行磁性调控，得到不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene；
[0010]S4.在不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene表面吸附氮气，并计算全路径吉布斯自由能、差分电荷密度，态密度和能带结构；
[0011]S5.根据计算结果分析不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene对N2催化的影响。
[0012]优选的，步骤S1中，利用VASP软件对Cr2C原胞进行结构优化和弛豫，得到稳定态的Cr2C原胞。
[0013]优选的，步骤S2中分别在稳定态的Cr2C原胞表面上下两侧C的上方和/或Cr的上方负载O官能团。
[0014]优选的，步骤S2中，利用VASP软件对负载了O官能团的Cr2C原胞进行结构优化和弛豫，得到稳定结构的Cr2CO2‑
MXene。
[0015]优选的，步骤S3中对稳定结构的Cr2CO2‑
MXene进行磁性调控前，将稳定结构的Cr2CO2‑
MXene调整到001晶面，并扩展为3
×3×
1的超胞结构。
[0016]优选的，步骤S3中利用Materials Studio软件中的Build
‑
Cleave Surfaces功能对稳定结构的Cr2CO2‑
MXene进行切割，得到001晶面。
[0017]优选的，步骤S3中通过调节VASP输入文件INCAR的参数，对Cr2CO2‑
MXene进行磁性调控。
[0018]优选的，步骤S3中不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene分别为无磁、铁磁、层间反铁磁和层内反铁磁四种状态的Cr2CO2‑
MXene。
[0019]优选的，步骤S4中全路径吉布斯自由能的计算公式为：
[0020]G(T)＝EDFT+EZPE+U(T)
–
TS+ΔG
pH
[0021]式中T＝298.15K，EDFT和EZPE分别是VASP计算后输出的能量以及零点振动能，U和S分别为体系的内能和熵，ΔG
pH
是H
+
的自由能修正值。
[0022]优选的，步骤S4中差分电荷密度由VASP的输出文件CHGCAR经过VESTA后处理得到，态密度和能带结构由VASPKIT后处理程序导出。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]本专利技术基于密度泛函理论的第一性原理计算调控了Cr2C
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MXene材料的磁性并探究了磁性对电催化合成氨性能的影响，相较于现有技术的优势在于：考虑电荷、轨道以及自旋序在电催化氮还原中的作用机理，能够为电催化氮还原催化剂的研发奠定理论基础；采用了态密度，差分电荷，能带等一系列分析手段，从电荷，轨道以及自旋三种角度解释了氮氮三键的活化机制，为电催化氮还原中电荷，轨道以及自旋的解读提供了参考。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
[0026]图1为本专利技术实施例中表面裸露的Cr2C
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MXene表面的两种O官能团负载位点hcp
‑
Site1以及fcc
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Site2；
[0027]图2为Cr2CO2‑
MXene四种不同磁构型，从左至右依次为无磁，铁磁，层间反铁磁，层内反铁磁；
[0028]图3为1mol氮气生成2mol氨气的六电子反应机制；
[0029]图4为不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene表面eNRR吉布斯自由能势垒；
[0030]图5为Cr2CO2‑
MXene不同O吸附位点态密度；
[0031]图6为不同磁构型的Cr2CO2‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.获取Cr2C原包的晶体结构信息，并进行结构优化，得到稳定态的Cr2C原胞；S2.在稳定态的Cr2C原胞表面负载O官能团，并进行结构优化，得到稳定结构的Cr2CO2‑
MXene；S3.对稳定结构的Cr2CO2‑
MXene进行磁性调控，得到不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene；S4.在不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene表面吸附氮气，并计算全路径吉布斯自由能、差分电荷密度，态密度和能带结构；S5.根据计算结果分析不同磁构型的Cr2CO2‑
MXene对N2催化的影响。2.根据权利要求1所述的一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，其特征在于，步骤S1中，利用VASP软件对所述Cr2C原胞进行结构优化和弛豫，得到稳定态的Cr2C原胞。3.根据权利要求1所述的一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，其特征在于，步骤S2中分别在所述稳定态的Cr2C原胞表面上下两侧C的上方和/或Cr的上方负载O官能团。4.根据权利要求1所述的一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，其特征在于，步骤S2中，利用VASP软件对负载了O官能团的Cr2C原胞进行结构优化和弛豫，得到稳定结构的Cr2CO2‑
MXene。5.根据权利要求1所述的一种磁性调控Cr2C
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MXene材料电催化合成氨性能的预测方法，其特征在于，步骤S3中对稳定结构的Cr2CO2‑
MXene进行磁性调控前，还包括将所述稳定结构的Cr2CO2‑
MXene调整到001晶面，并扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：李能，王政，彭嘉禾，史祖皓，鲁雪莲，
申请(专利权)人：武汉理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：