一种用于还原CO2的Ru掺杂IrO2催化剂的构建方法

本发明属于二氧化碳电催化，尤其涉及一种用于还原co2的ru掺杂iro2催化剂的构建方法。

背景技术：

1、随着工业化进程的发展，由于人类对于化石能源的大量使用，导致大气中二氧化碳的浓度不断升高，由此带来一系列环境问题。电催化还原co2一方面能够降低大气中二氧化碳的浓度，同时能够将co2转化为高附加值的碳氢燃料。但由于co2分子具有较强的稳定性，因此电化学还原co2需要特定催化剂。但很多催化剂存在催化活性低、选择性差、稳定差等问题，因此开发出高催化活性、高选择性高稳定性的催化剂具有重要意义。

2、目前金属氧化物催化剂由于其优异的催化性能受到广泛研究。与单金属催化剂相比，金属氧化物催化剂对于甲醇、甲烷的选择性更高。原子化学掺杂、异质结构建、分子尺寸调控等手段被广泛用于催化材料的设计。iro2与ruo2是两种良好的电催化材料，具有相同的金红石结构。2020年在《chemical science》上的文献《why do ruo2electrodes catalyzeelectrochemical co2 reduction to methanol rather than methane or perhapsneither of those？》研究了ruo2电化学还原二氧化碳方面的催化作用，研究结果表明，ruo2电催化还原co2的主要产物为甲醇并且具有较低的现致电位，同时能够保持催化剂的稳定性。协同配体效应被广泛应用在催化剂的设计当中，能够促进电子从催化剂向co2的转移，从而改善电催化还原co2的特性，对于设计新型催化剂的研究具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于还原co2的ru掺杂iro2催化剂的构建方法。

2、本发明是这样实现的，一种用于还原co2的ru掺杂iro2催化剂的构建方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、构建模型：使用materials studio建模软件对ruo2材料进行建模，通过vesta软件将模型数据文件类型转变为vasp的输入文件poscar；

4、s2、构建掺杂模型：利用ru原子替换步骤s1中得到的iro2结构cus位点上的ru原子，通过vesta软件将模型数据文件类型转变为vasp的输入文件poscar；

5、s3、模拟计算：

6、s3-1、将步骤s2中得到的poscar采用vasp软件进行能量计算，以获得能量最低的掺杂模型，将生成稳定结构的数据文件contcar，重命名为poscar，作为下一步计算的输入文件；

7、s3-2、使用materials studio建模软件在上述稳定的掺杂构型的基础上建立co2的吸附构型。通过vesta软件将模型数据文件类型转变为vasp的输入文件poscar，采用vasp软件进行能量计算，以获得能量最低的co2吸附模型；

8、s3-3、使用materials studio建模软件在上述co2稳定吸附构型的基础上建立co2还原反应的各种中间体构型，采用vasp软件进行能量计算；

9、s4、结果处理与分析：计算co2还原反应各种中间体的自由能，绘制生成甲烷和甲醇的路径图。

10、优选地，在步骤s2中，使用一个ru原子，替换iro2(110)表面的cus位点的上的一个ir原子。

11、优选地，所述的vasp软件中，计算中的截断能取值为520ev，原子受力均收敛在0.03ev/a以下，在自由能计算时固定催化剂最下面两层的原子，频率计算时固定基底，只放开催化剂表面吸附的中间体。

12、优选地，在步骤s3-1中，能量最低的co2吸附模型即为最稳定的吸附构型，吸附能通过eads＝eab–ea–eb计算得到。

13、优选地，在步骤s3-2中，对于各种反应中间体能量的计算，包括电子能量、零点振动能zpe和熵s的修正。

14、优选地，在步骤s4中，对于各种反应中间体的自由能通过g＝eelec+zpe–ts进行计算。

15、本发明克服现有技术的不足，提供一种用于还原co2的ru掺杂iro2催化剂的构建方法，掺杂构型由于配体效应的影响能够提高电子从催化剂表面向co2的转移，促进对co2的还原，但是在co2还原过程中，很多反应中间体无法通过实验方法检测到，因此无法了解整个反应过程，而计算模拟可以获得任何稳定存在的吸附物质，解决实验中无法实现的难题，通过优化该催化剂对反应中间产物的吸附能，最终达到增强其催化活性的目的。

16、相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明通过利用配体效应构建掺杂构型的催化剂，与纯金属氧化物相比可以有效地调节催化剂材料表面的电子结构，优化其对反应中间产物的吸附能，进一步增强其催化活性。

技术特征：

1.一种用于还原co2的ru掺杂iro2催化剂的构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2中，使用一个ru原子，替换iro2(110)表面的cus位点的上的一个ir原子。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的vasp软件中，计算中的截断能取值为520ev，原子受力均收敛在0.03ev/a以下，在自由能计算时固定催化剂最下面两层的原子，频率计算时固定基底，只放开催化剂表面吸附的中间体。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3-1中，能量最低的co2吸附模型即为最稳定的吸附构型，吸附能通过eads＝eab–ea–eb计算得到。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3-2中，对于各种反应中间体能量的计算，包括电子能量、零点振动能zpe和熵s的修正。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s4中，对于各种反应中间体的自由能通过g＝eelec+zpe–ts进行计算。

技术总结
本发明公开了一种用于还原CO<subgt;2</subgt;的Ru掺杂IrO<subgt;2</subgt;催化剂的构建方法，通过Materials Studio软件构建IrO<subgt;2</subgt;结构，通过IrO<subgt;2</subgt;结构构建Ru原子在IrO<subgt;2</subgt;配位cus位点替换Ir原子的掺杂结构，利用VASP软件对掺杂结构进行第一性原理结构优化计算，得到稳定的晶体结构，通过晶体结构构建CO<subgt;2</subgt;的吸附构型以及CO<subgt;2</subgt;还原过程中各种可能中间体的构型，利用VASP软件对吸附构型以及中间体的构型进行第一性原理计算获得自由能，得到二氧化碳电催化各步骤的中间体以及副产物的自由能变化，对自由能变化做比较确定最佳的催化反应路径，得出最低的还原电势，构建电催化还原CO<subgt;2</subgt;的最可能反应路径。本发明有效地调节催化剂材料表面的电子结构，优化其对反应中间产物的吸附能，达到增强其催化活性的目的。

技术研发人员：张全申,朱海燕
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13