一种还原二氧化碳石墨烯/低指数铜催化剂的方法

技术领域

本发明属于电催化二氧化碳技术领域，具体为一种还原二氧化碳石墨烯/低指数铜催化剂的方法。

背景技术

二氧化碳(CO

在eCO

近年来，人们已经进行了大量的研究，试图利用形成在过渡金属上的表面碳层，并理解它们在催化反应中的作用。石墨烯作为石墨沉积物的一种简单形式，已经通过碳化含碳气体的催化裂解生长在许多过渡表面上。表面科学研究表明，CO、O

当前在Cu表面生长石墨烯已经通过等离子增强化学气相沉积法向氢-甲烷等离子体中添加已知在室温下能够腐蚀铜的氰基自由基，去除本征氧化层，然后生长整齐排列的石墨烯被证明可行，然而利用这种限域体系进行催化反应设计的还鲜有，其中丰富且复杂的物理化学性质亟待理论研究解答。

现有的实验和理论计算研究表明，在低指数面铜上进行电催化二氧化碳还原生成C

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提高电催化二氧化碳还原生成C

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明提供了一种还原二氧化碳石墨烯/低指数铜催化剂的方法，包括以下步骤：

(1)构建石墨烯/Cu(100)模型：利用Material Studio软件构建石墨烯/Cu(100)异质结几何结构；

(2)利用步骤(1)得到的结构为基础，在石墨烯和Cu(100)异质结层间空腔内，以低指数面铜作为吸附侧，利用Material Studio建模软件，构建CO

(3)控制石墨烯与Cu(100)层间距：以吸附模型为基准，利用Materials Studio建模软件，建立不同的层间距的石墨烯/Cu(100)结构模型；

(4)利用VASP软件对步骤(3)构建的不同结构进行结构优化，得到合理的吸附构型，并获取体系不同层间距的基态能量；

(5)对步骤(4)得到的基态能量进行吸附能计算，通过E

(6)利用VASP对CO

有益效果：本发明从理论上通过石墨烯对Cu(100)进行限域，实验发现石墨烯限域手段降低eCO

进一步限定，所述步骤(1)设置铜和石墨烯的晶格常数和角度。

进一步限定，所述铜的晶格常数为

进一步限定，设置晶格失配比例小于5％。

进一步限定，步骤(3)中所述不同的层间距相差为

进一步限定，所述设置不同的层间距的范围是

进一步限定，所述步骤(6)其中利用恒定电势法的手段，通过考察吉布斯自由能的大小，确定CO

进一步限定，首先通过使用Materials Studio建模软件构建CO*、CHO*、COH*及OCCO*的构型，通过VESTA软件，将每一个搭建好的中间体构型转换为POSCAR文件，通过调节VASP中的体系电子数参数NELECT，保持恒定电势条件。

进一步限定，采用VASP软件进行自由能(G＝E

进一步限定，步骤(6)CO

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过实验研究提供直接的理论指导，相比于人力实验，改善筛选速度，避免大量试错实验造成的能源、时间和成本损失。

本发明从理论上通过石墨烯对Cu(100)进行限域，实验发现石墨烯限域手段降低eCO

附图说明

图1是还原二氧化碳石墨烯/低指数铜催化剂的方法的设计流程图；

图2是石墨烯/Cu(100)的结构示意图；

图3是石墨烯Cu(100)系统之间的每个特定距离处的能量图；

图4是CO*在反应电位下的进一步反应的吉布斯自由能对比图；

图5是电化学还原CO

图6是电化学还原CO*生成C

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例还原二氧化碳石墨烯/低指数铜催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤1、构建模型

利用Material project结构库中的Cu晶胞模型，首先通过VASP软件进行优化，优化晶胞参数和原子位置，接着将优化好的晶胞导入Material Studio软件，通过Symmetry-Find symmetry模块寻找到晶胞的对称性后，通过Cleave Surface模块将Cu晶胞进行切面，其中晶面指数设置为(100)，厚度设置为4层，之后通过Vacuum thickness选项设置

步骤2、测试层间距离，构建最稳定结构

使用Materials Studio建模软件在上述结构中构建化学吸附CO

步骤3、CO

通过Materials Studio和VESTA进行建模，使用VASP计算每个中间体，分析限域对CO

确定吸附的CO是CO

步骤4、CO在反应电位下的进一步氢化的吉布斯自由能对比图

使用Materials Studio和VESTA构建各种反应中间体，转换为POSCAR文件。通过VASP进行自由能计算，确定在eCO2RR的工作电位下，CO更倾向于直接氢化。

CO作为反应关键的中间体，在一定程度上，决定了二聚化的方式，以及最终的eCO

步骤5、CO

通过Materials Studio和VESTA构造反应中间体，使用VASP计算每个中间体的自由能，绘制吉布斯自由能变化的反应路径图，分析石墨烯/Cu(100)与Cu(100)之间的差异。

在确立好CO

本发明通过利用石墨烯限域手段限定低指数面铜，提供了一种显著提高电催化二氧化碳还原反应选择性的设计方法。与现有技术相比，我们成功地增强了铜表面对CO

综上所述，本发明通过引入石墨烯限域，不仅优化了CO

受到实验条件和成本的约束，目前关于低指数铜对CO

本发明基于第一性原理计算，开发出一种能够筛选具有提高二氧化碳还原生成C

本发明针对电催化材料而言，设计不同的层间距的石墨烯/Cu(100)，结合第一性原理计算，以CO

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。