[發明專利]銅表面摻雜VIII族金屬促進甲烷分解的模擬仿真方法

在審

• 申請號: 202010585639.6
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111710369A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 楊迎霞
• 申請（專利權）人: 楊迎霞
• 主分類號: G16C20/10
• 分類號: G16C20/10;G16C20/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種銅表面摻雜VIII族金屬促進甲烷分解的模擬仿真方法，包括以下步驟：建立Cu(111)表面和VIII族金屬摻雜的Cu(111)表面共10種表面模型；根據密度泛函理論，優化Cu(111)表面和VIII族金屬摻雜的Cu(111)表面甲烷分解反應始態和終態的結構，確定反應能E；根據反應始態和終態的結構搜尋反應過渡態的結構確定活化能E*；分析不同摻雜元素對甲烷分解反應的影響，篩選比較合適的摻雜元素。本發明的模擬仿真結果顯示，在VIII族9種金屬中，Ru或Rh摻雜的Cu(111)表面對甲烷分解反應最有利，甲烷的基元反應的活化能與反應能呈線性關系，可以用來預測其它摻雜金屬對甲烷分解反應的影響，該發明為開發新型高效催化材料奠定理論基礎，能更好地指導實驗過程，更加省時省力。

技術領域

本發明屬于催化甲烷分解技術領域，具體涉及一種銅表面摻雜VIII族金屬促進甲烷分解的模擬仿真方法。

背景技術

甲烷是天然氣的主要成分，當今世界天然氣的產量持續增加，使得甲烷轉化為高附加值的化學品成為催化領域的熱門課題。例如，甲烷重整制合成氣、甲烷氧化制甲醇、甲烷裂解制氫氣等。另一方面，甲烷也是溫室氣體之一，會導致地球表面溫室效應不斷增加，甲烷的催化轉化有利于緩解溫室效應。然而，甲烷是一種非常穩定的分子，打破甲烷中的C-H鍵需要很高的熱量，因此，甲烷的活化具有很大挑戰性。

在常用的銅基催化劑表面摻雜過渡金屬，通過兩種金屬的協同作用可以降低反應的活化能，使得甲烷的活化在更低的溫度下發生，有效的節約能源，篩選出一種合適的金屬進行摻雜具有重要意義。現有技術中大多采用實驗的方法制備研究催化劑，當需要研究多種過渡金屬的摻雜時，需要花費很多的時間、人力和物力。

密度泛函理論經過多年的發展和改進，形式更加精確，計算程序和算法更加高效，已經發展為模擬計算領域的一種重要工具和手段，其計算精度能夠滿足多種研究工作的需求，在材料、物理、化學等領域中有廣泛的應用。用該方法來模擬甲烷分解過程，篩選一種合適的能有效促進甲烷分解的催化劑對實驗研究具有很重要的指導意義。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中甲烷分解反應所需能量較高,需篩選一種合適的金屬進行摻雜以降低反應活化能，但是實驗方法耗時耗力的問題，提供一種銅表面VIII族金屬促進甲烷分解的模擬仿真方法。

本發明所涉及的一種銅表面摻雜VIII族金屬促進甲烷分解的模擬仿真方法，其特殊之處在于，包括以下步驟:

S1：建立Cu(111)表面和VIII族金屬摻雜的Cu(111)表面共10種表面模型，10種表面模型分別以Fe-Cu、Co-Cu、Ni-Cu、Ru-Cu、Rh-Cu、Pd-Cu、Pt-Cu、Os-Cu、Ir-Cu、Cu表示，其中，VIII族金屬摻雜方式為替代Cu(111)表面第一層的1個Cu 原子；

S2：根據密度泛函理論，優化Cu(111)表面和VIII族金屬摻雜的Cu(111)表面甲烷分解反應始態和終態的結構，確定反應能E。反應能E的計算方法為，用基元反應終態的能量減去始態的能量。如果數值為正值，表示該基元反應為吸熱反應，如果數值為負值，表示該基元反應為放熱反應；

S3：根據反應始態和終態的結構搜尋反應過渡態的結構并確定反應活化能E*，活化能的計算方法為，用過渡態的能量減去反應始態的能量，數值越大表示反應越難發生；

S4：分析不同摻雜元素對甲烷分解反應的影響，篩選比較合適的摻雜元素。

進一步地，所述步驟S1的Cu(111)表面模型構建方法為，選取p(3×3)超晶胞構建模型，選取4層原子厚度，選取真空層厚度為15 ?，把第一層的一個Cu原子替換為VIII族金屬即可得到VIII族金屬摻雜的Cu(111)表面模型。