[发明专利]一种测试甲醇燃料电池阳极材料活性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及甲醇燃料电池开发与利用研究领域，具体涉及一种测试甲醇燃料电池阳极材料活性的方法，其特征是通过特定的量子化学计算模拟，测试电池阳极材料的活性及催化性能，用以提高判断电池活性及效率的准确性。

背景技术

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其燃料来源丰富、价格低廉、理论比能量高、便于储存运输等特性而备受重视，在移动电源等领域具有广阔的应用前景。目前，较成熟的电池多采用氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，但氢气高密度储运的困难限制了氢燃料电池的推广。DMFC是氢质子交换膜燃料电池的一种改进，甲醇相当于贮氢载体。甲醇在常温常压下是一种结构简单的液态有机化合物，储存简单、来源方便、价格便宜、无污染、可快速低温启动和使用方便等优点，得到了人们的广泛关注和研究。作为催化剂的阳极材料是直接甲醇燃料电池的关键部分，在学术界及工业应用中都受到了广泛的重视。DMFC主要采用Pt系和非Pt系电催化剂两类，目前多采用Pt系催化剂。Pt催化剂具有活性高、性能稳定等优点，但Pt资源匮乏，价格昂贵，且易于被甲醇氧化的中间体即吸附态的CO(CO_ad)毒化，一直制约着DMFC走向实用化。为降低催化剂成本，非Pt阳极催化剂的研究也受到了人们的关注。

因此，如何降低Pt用量，提高催化效率以及寻找新的价格低廉、催化活性高的催化剂一直是DMFC研究的重点。

甲醇在金属表面的反应中间体种类繁多，反应又很复杂，目前人们对反应机理的完整图像仍不清晰。不同金属催化剂有不同的分解途径，仅仅依靠实验技术还无法确定控制反应和选择性的本质因素，并且也难以认清反应的内在机制，而对这些问题的研究有助于为新型选择性催化剂设计提供指导。量子化学计算模拟则通过探索反应势能面的详细特征以及对金属表面与小分子结合和反应机理的本质特性作定量描述，提供与实验相互补充的信息，引起研究者的兴趣。

本发明开发了一种测试甲醇燃料电池阳极材料活性的方法，本发明方法测试快速、

结果准确，适于解决燃料电池行业不同阳极材料性能难于判断的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试快速、结果准确的测试甲醇燃料电池阳极材料性能的方法。包括以下几个步骤：

1）模型构建

步骤1：利用Materials Studio软件的DMol³模块构建待计算甲醇模型分子及初始活化反应过程中所有可能的反应物、中间体、产物分子结构作为基本的分子结构数据文件；构建催化剂的周期性结构，切割催化剂活性面作为基本的催化剂基底结构数据文件；构建模型分子在基底表面所有可能的吸附构型及反应过程中可能存在的共吸附构型作为基本的结构数据文件；

2）稳定构型的结构优化

步骤2：利用DMol³模块中的Calculation程序对步骤(1)中的结构数据文件进行能量最小化处理以得到稳定的吸附构型，确定各基元反应的初态(IS)和末态(FS)，得到经能量最小化处理的数据结构文件；并对稳定构型进行性质计算，获得分子、基底及所有稳定吸附构型的电子结构、态密度、密立根电荷等性质数据文件；

3）过渡态搜寻及能垒计算

步骤3：根据步骤2中得到的能量最小化结构文件，利用DMol³模块中的LST/QST方法寻找甲醇在催化剂表面反应中涉及的基元步骤的过渡态结构及能量；

步骤4：借助Vibrational analysis工具进行振动分析，确认过渡态是否正确,由步骤3得到的过渡态能量和结构优化得到的初态能量计算反应能垒，初步分析能垒的大小判断材料的性能；4）综合分析

步骤5：利用DMol³模块中的analysis程序对步骤(2)和(3)中得到数据结构文件分析，得到PDOS图，对比初态和过渡态PDOS图的变化程度进一步分析能垒的大小判断材料的活化性能；

步骤6：根据步骤(2)和(3)中得到数据结构文件，分析计算得到反应所需的电化学势，根据电化学势大小判断阳极材料在DMFC中的催化性能。

步骤1中模型为每层有代表3×3单元晶胞的九个原子组成的三层结构晶格，由组成的真空区域。