CN109671471A - 一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法 - Google Patents

一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法 Download PDF

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陈思远
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Abstract

本发明提供一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，所述方法通过高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能的描述符，从而实现快速筛选高性能金属有机骨架电催化材料，同时按不同催化反应的需求有选择地指导金属有机骨架材料的合成。本发明采用高通量并发式计算，有效地缩短了数据的获取时间，避免了传统实验密集型的“试错”实验带来的资源上的浪费，降低了研发成本，缩短了研发周期。而且，获取的描述符可以用于催化材料的快速筛选，有效地的减少高通量计算指导材料筛选时的计算量，通过少量取样的样本实验数据实时反馈给理论计算这种交互式模式，使得理论计算的效率与精度得以不断提升与优化，具备良好的实用价值。

Description

一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法
技术领域
本发明属于计算材料学与纳米复合催化材料领域，具体涉及一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，尤其是一种基于高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法。
背景技术
新材料技术的发展不仅促进了人类科技的革命性变革，而且对材料的研发模式提出了更高的要求。传统以密集型实验为主的“试错法”的材料研发模式存在周期长，效率低的突出问题，已经不能满足新时代科技快速发展对新材料技术的需求。美国提出的“材料基因组计划”，其技术核心就是借助高通量计算手段和大数据分析方法，并结合材料与实验三位一体的互相反馈的方式，实现发现、开发和应用新材料的周期降低一半，研发成本降低一半。继美国材料基因组计划提出之后，我国也于2016年开始了材料基因组重大科研专项，旨在通过高通量材料计算和材料数据共享平台促进新材料的研发，目前正处于迅猛发展的阶段。
作为我国材料基因组计划的一部分，开发新型催化材料提升能源转换效率与能源利用率则显得尤为重要，对于缓解能源危机，解决我国能源分布不均衡等问题上有着重大的现实意义。金属有机骨架材料则由于其独特的结构优势：例如规整有序的多级孔道结构，较多的配位不饱和活性位点，高比表面积等，目前在催化领域里已经得到了广泛的应用，然而目前对于金属有机骨架材料的高通量计算依然缺乏一种快速获取催化活性描述符的方法，大部分的描述符依然采用大量密集的实验数据进行拟合，不仅效率低，而且难以控制实验中的所有变量。而基于第一性原理的高通量理论计算可以实现“计算先行”，即从理论计算出发快速预测材料性能从而实现材料的定向筛选与设计，同时为不同材料的结构因子与催化活性之间进行大量数据的关联性分析，从而快速获取材料催化活性的描述符，为材料的研究开发与快速筛选提供了导向性，避免了盲目的密集型试错实验，极大的缩短新材料的研发周期。
金属有机材料是近年来发展极为迅猛的一种多孔配位聚合物材料，一般具有规整有序的三维孔道结构，以中心过渡金属离子为节点，以有机配体支撑形成的网状框架结构。由于有机配体的配位作用，中心金属离子实现了均匀的分散，且往往在表面存在大量的配位不饱和活性位点，这些位点可以有效地吸附反应底物从而发挥催化功能，目前金属有机骨架材料已经广泛应用于电化学催化领域，且可以通过调控中心金属离子与配体类型可以制备不同种类的金属有机骨架材料，满足多种多样的催化反应的需求。
当前高通量计算对于金属有机骨架材料的研究集中在反应机理探索以及电子结构分析，对于金属有机骨架材料的结构与催化活性之间的构效关系研究尚不深入，且缺乏一种可靠的描述符用于催化活性的快速预测，因此开发一种基于高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法可以有效地加速材料的研发进程，缩短研发周期，有效地避免当前“试错”研究模式中的能源与资源浪费，具备广阔的实用前景。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，目的在于通过高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能的描述符，从而实现高通量理论计算指导下快速筛选高性能金属有机骨架电催化材料，同时按不同催化反应的需求有选择地指导金属有机骨架材料的合成；
进一步地，本发明的技术方案是：首先针对一系列待研究金属有机骨架材料与特定的电催化反应体系，采用高通量并行计算的方式分别计算每一步基元反应的吉布斯函数变化量等性能数据，然后再对不同的金属有机骨架材料进行结构布局分析获得化学键强度以及电子结构等结构参数，通过对大量性能数据与结构参数之间的关联性分析，获得定量的构效关系，从而获取金属有机骨架电催化性能的描述符；
进一步地，具体操作步骤为：
(1)金属有机骨架材料的吉布斯函数变以及结构参数的高通量计算：
从数据库中直接抽提相关的金属有机骨架材料的晶体结构数据作为初始的输入文件。然后分别在相同的参数下进行并发式高通量计算，具体的参数要求为：针对晶体结构优化采用GGA-RPBE交换关联泛函，针对能带结构以及能态密度计算采用HSE06屏蔽杂化泛函，所有计算均采用默认的价层电子排布结构，晶体优化的赝势采用Ultrasoft赝势，能带结构及态密度计算的计算采用Norm Conserving赝势，截断能范围统一为550 ~ 800 eV之间,Monkhorst-Pack格点取样间隔为0.02 Å ~ 0.08 Å之间，SCF自洽反应收敛阈值为2.0 ×10-7 ~ 1.0 × 10-5 eV/atom, 结构优化的收敛标准为能量波动范围小于2.0 × 10-6 ~1.0 × 10-5 eV/atom, 最大受力范围小于0.01 ~ 0.08 eV/Å, 最大晶格应力小于0.01 ~0.5 GPa, 最大位移小于1.0 × 10-4 ~ 5.0 × 10-3 Å. 对于能带结构的计算，则采用0.020 ~ 0.010 Å-1之间的k点取样间隔，能带能量的收敛阈值为10-5 eV, 能态密度的计算与能带结构采用相同的参数。声子谱的计算采用线性响应模式，q点取样间隔为0.07 ~0.04 Å-1，收敛阈值为10-5 eV/ Å2。对于布局分析的计算，截断半径取值为3.5 Å，具体包括密立根电荷计算，希什菲尔德电荷计算，密立根键级计算。
(2)金属有机骨架材料的定量构效关系分析
针对上述高通量计算结果，对于性能参数与结构参数进行基于最小二乘法的拟合分析，不断筛选各种结构参数与性能参数之间的关联性，当关联系数大于0.92时即认为存在较强的关联性，即可认为该结构参数可以作为金属有机骨架材料电催化性能的描述符。在此基础上，通过少量取样的样本实验去验证描述符的预测能力，并实时反馈给计算结果，实现计算效能的不断优化与精度的不断提升。
进一步地，上述待研究的金属有机骨架材料包含了多种可溶性金属盐与有机配体合成的金属有机骨架材料:
进一步地，所述的待研究的金属有机骨架材料可用的可溶性金属盐包括：铌、钛、钒、钼、钯、铬、银、锰、镍、铁、锡、钴、钨、铜、锌、锆、铝等金属的硝酸盐，氯化物，磷酸盐，硫酸盐，醋酸盐等其中的一种或几种。
进一步地，所述的待研究的金属有机骨架材料可用的有机配体包括：1,4-苯二甲酸、1,3,5-苯三甲酸，1,2-苯二甲酸、，1,2,4,5-苯四甲酸，苯六甲酸， 2-磺酸基对苯二甲酸，2-硝基对苯二甲酸，2-氨基对苯二甲酸，1,1':4',1''-苯基-4,4''-二甲酸，1,1'-二苯基-4,4'-二甲酸，哌嗪，吡嗪，二甲基咪唑，三乙烯二胺，4,4'-联吡啶，1,3-二(4-吡啶)丙烷等其中的的一种或几种。
进一步地，所述的数据库包括Crystallography Open Database (COD)，Cambridge Structural Database (CSD)，Materials Project等国际大型开放型数据库。
本发明的有益效果如下：
1、采用高通量并行计算的方式，有效地缩短了数据的获取时间；
2、采用高通量计算获取催化活性的描述符，避免了传统实验密集型的“试错”实验带来的资源上的浪费，降低了研发成本，缩短了研发周期；
3、获取的描述符可以用于催化材料的快速筛选，有效地的减少高通量计算指导材料筛选时的计算量；
4）通过少量取样的样本实验数据实时反馈给理论计算这种交互式模式，使得理论计算的效率与精度得以不断提升与优化，具备良好的实用价值。
附图说明
图1中（a）为本发明所述方法中高通量计算设置的基本设置参数页面; (b)为高通量计算的电子项设置页面; (c)为高通量计算的性质参数设置页面；
图2为本发明所述方法中高通量计算获得的性能参数与结构参数之间的拟合结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
如图1-图2所示，本发明提供一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，具体为一种基于高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，通过高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能的描述符，从而实现高通量理论计算指导下快速筛选高性能金属有机骨架电催化材料，同时按不同催化反应的需求有选择地指导金属有机骨架材料的合成。
本发明首先针对一系列待研究金属有机骨架材料与特定的电催化反应体系，采用高通量并行计算的方式分别计算每一步基元反应的吉布斯函数变化量等性能数据，然后再对不同的金属有机骨架材料进行结构布局分析获得化学键强度以及电子结构等结构参数，通过对大量性能数据与结构参数之间的关联性分析，获得定量的构效关系，从而获取金属有机骨架电催化性能的描述符。
具体操作步骤为：
(1)金属有机骨架材料的吉布斯函数变以及结构参数的高通量计算：
从数据库中直接抽提相关的金属有机骨架材料的晶体结构数据作为初始的输入文件，如图1所示。
然后分别在相同的参数下进行并发式高通量计算，具体的参数要求为：针对晶体结构优化采用GGA-RPBE交换关联泛函，针对能带结构以及能态密度计算采用HSE06屏蔽杂化泛函，所有计算均采用默认的价层电子排布结构，晶体优化的赝势采用Ultrasoft赝势，能带结构及态密度计算的计算采用Norm Conserving赝势，截断能范围统一为550 ~ 800eV之间, Monkhorst-Pack格点取样间隔为0.02 Å ~ 0.08 Å之间，SCF自洽反应收敛阈值为2.0 × 10-7 ~ 1.0 × 10-5 eV/atom, 结构优化的收敛标准为能量波动范围小于2.0 ×10-6 ~ 1.0 × 10-5 eV/atom, 最大受力范围小于0.01 ~ 0.08 eV/Å, 最大晶格应力小于0.01 ~ 0.5 GPa, 最大位移小于1.0 × 10-4 ~ 5.0 × 10-3 Å. 对于能带结构的计算，则采用0.020 ~ 0.010 Å-1之间的k点取样间隔，能带能量的收敛阈值为10-5 eV, 能态密度的计算与能带结构采用相同的参数。声子谱的计算采用线性响应模式，q点取样间隔为0.07 ~0.04 Å-1，收敛阈值为10-5 eV/ Å2。对于布局分析的计算，截断半径取值为3.5 Å，具体包括密立根电荷计算，希什菲尔德电荷计算，密立根键级计算。
(2)金属有机骨架材料的定量构效关系分析
针对上述高通量计算结果，对于性能参数与结构参数进行基于最小二乘法的拟合分析，不断筛选各种结构参数与性能参数之间的关联性，当关联系数大于0.92时即认为存在较强的关联性，即可认为该结构参数可以作为金属有机骨架材料电催化性能的描述符，如图2所示。在此基础上，通过少量取样的样本实验去验证描述符的预测能力，并实时反馈给计算结果，实现计算效能的不断优化与精度的不断提升。
所述待研究的金属有机骨架材料包含了多种可溶性金属盐与有机配体合成的金属有机骨架材料:
所述的待研究的金属有机骨架材料可用的可溶性金属盐包括：铌、钛、钒、钼、钯、铬、银、锰、镍、铁、锡、钴、钨、铜、锌、锆、铝等金属的硝酸盐，氯化物，磷酸盐，硫酸盐，醋酸盐等其中的一种或几种。
所述的待研究的金属有机骨架材料可用的有机配体包括：1,4-苯二甲酸、1,3,5-苯三甲酸，1,2-苯二甲酸、，1,2,4,5-苯四甲酸，苯六甲酸， 2-磺酸基对苯二甲酸，2-硝基对苯二甲酸，2-氨基对苯二甲酸，1,1':4',1''-苯基-4,4''-二甲酸，1,1'-二苯基-4,4'-二甲酸，哌嗪，吡嗪，二甲基咪唑，三乙烯二胺，4,4'-联吡啶，1,3-二(4-吡啶)丙烷等其中的的一种或几种。
所述的数据库包括Crystallography Open Database (COD)，CambridgeStructural Database (CSD)，Materials Project等国际大型开放型数据库。
实施例1
对元素周期表第四周期过渡金属离子与对苯二甲酸配体形成的金属有机骨架材料进行高通量计算，晶格结构一律采用剑桥大学晶体结构数据库（CSD）No. 985792型晶体结构，通过组建不同中心金属离子的模型作为高通量计算的输入文件，该实施案例针对电化学催化体系，所有的计算均在同一计算精度下完成，即结构优化时采用GGA-RPBE交换关联泛函，针对能态密度计算采用HSE06屏蔽杂化泛函，所有计算均采用默认的价层电子排布结构，结构优化时赝势采用Ultrasoft赝势，能带结构计算与态密度计算则采用Norm Conserving赝势，截断能统一为520 eV, Monkhorst-Pack格点取样采用高精度取样 (8×4×1)，SCF自洽反应收敛阈值为4.0 × 10-7 eV/atom, 结构优化的收敛标准为能量波动小于4.0 × 10-6eV/atom，最大受力小于0.02 eV/Å, 最大晶格应力小于0.01 GPa, 最大位移小于4.0 ×10-4 Å. 对于能态密度的计算，则采用0.010 Å-1的k点取样间隔，收敛阈值为2.0 × 10-5eV, 声子谱的计算采用线性响应模式，q点取样间隔为0.02 Å-1，收敛阈值为10-5 eV/ Å2.针对电化学催化性质计算主要为吉布斯函数，考虑了非标准状态下的修正。结构参数计算包括密立根电荷计算，密立根键级计算。
实施例2
对元素周期表第四周期过渡金属离子与2-氨基对苯二甲酸配体形成的金属有机骨架材料进行高通量计算，晶格结构一律采用剑桥大学晶体结构数据库（CSD）No. 985792型晶体结构进行修饰，通过组建不同中心金属离子的模型作为高通量计算的输入文件，该实施案例针对电化学催化体系，所有的计算均在同一计算精度下完成，即结构优化时采用GGA-PBE交换关联泛函，针对能带结构以及能态密度计算采用HSE06屏蔽杂化泛函，所有计算均采用默认的价层电子排布结构，构型优化采用Ultrasoft赝势，能带结构以及态密度计算采用Norm Conserving赝势，截断能统一为580 eV, Monkhorst-Pack格点取样采用高精度取样 (8×4×1)，SCF自洽反应收敛阈值为4.0 × 10-7 eV/atom, 结构优化的收敛标准为能量波动小于4.0 × 10-6 eV/atom，最大受力小于0.02 eV/Å, 最大晶格应力小于0.01 GPa,最大位移小于4.0 × 10-4 Å. 对于能带结构的计算，则采用0.010 Å-1的k点取样间隔，收敛阈值为10-5 eV, 能态密度的计算采用和能带结构相同的参数。声子谱的计算采用线性响应模式，q点取样间隔为0.02 Å-1，收敛阈值为10-5 eV/ Å2. 针对电化学催化性质计算主要为吉布斯函数变，考虑了非标准状态下的修正。
本发明所述一种基于高通量流式计算获取金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法。首先针对待研究金属有机骨架材料系列与特定的电催化反应体系，采用高通量并行计算的方式分别计算催化反应体系的吉布斯函数变等性能参数，然后再对不同的金属有机骨架材料进行结构布局分析获得化学键强度以及电子结构等结构参数，通过对大量性能数据与结构参数之间的关联性分析，获得定量的构效关系，从而获取金属有机骨架电催化性能的描述符。然后再通过少量取样的样本实验验证描述符的预测能力，并将实验数据反馈给计算结果，进一步实现计算效率与精度的不断提升。本发明采用高通量并发式计算，有效地缩短了数据的获取时间，避免了传统实验密集型的“试错”实验带来的资源上的浪费，降低了研发成本，缩短了研发周期。而且，获取的描述符可以用于催化材料的快速筛选，有效地的减少高通量计算指导材料筛选时的计算量，此外，通过少量取样的样本实验数据实时反馈给理论计算这种交互式模式，使得理论计算的效率与精度得以不断提升与优化，具备良好的实用价值。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属有机骨架材料电催化性能描述符的方法，其特征在于，所述方法通过高通量并行计算的方式分别计算每一步基元反应的吉布斯函数变化量性能数据，然后再对不同的金属有机骨架材料进行结构布局分析获得化学键强度和电子结构参数，通过对大量性能数据与结构参数之间的关联性分析，获得定量的构效关系，从而获取金属有机骨架电催化性能的描述符。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:
S1:对待研究金属有机骨架材料系列与特定的电催化反应体系，采用高通量并行计算的方式分别计算催化反应体系的吉布斯函数变性能参数；
S2:对不同的金属有机骨架材料进行结构布局分析获得化学键强度以及电子结构结构参数；
S3:对大量性能参数数据与结构参数之间的关联性分析，获得定量的构效关系；
S4:获取金属有机骨架电催化性能的描述符；
S5:通过少量取样的样本实验验证描述符的预测能力，并将实验数据反馈给计算结果，完成交互优化和验证。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2具体为：
S21：从数据库中直接抽提相关的金属有机骨架材料的晶体结构数据作为初始的输入文件；
S22：分别在相同的参数下进行并发式高通量计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S21的具体参数要求如下：
晶体结构优化：采用GGA-RPBE交换关联泛函；
能带结构以及能态密度计算：采用HSE06屏蔽杂化泛函；
所有计算均采用默认的价层电子排布结构。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S12的具体参数要求如下：
晶体优化的赝势采用Ultrasoft赝势；
能带结构及态密度计算的计算采用Norm Conserving赝势；
能带结构及态密度计算的计算中：截断能范围统一为550～800eV之间；
Monkhorst-Pack格点取样间隔为之间；
SCF自洽反应收敛阈值为2.0×10-7～1.0×10-5eV/atom；
结构优化的收敛标准为能量波动范围小于2.0×10-6～1.0×10-5eV/atom,最大受力范围小于最大晶格应力小于0.01～0.5GPa,最大位移小于
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能带结构的计算，采用之间的k点取样间隔，能带能量的收敛阈值为10-5eV；能态密度的计算与能带结构采用相同的参数。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2中声子谱的计算采用线性响应模式，q点取样间隔为收敛阈值为对于布局分析的计算，截断半径取值为具体包括密立根电荷计算，希什菲尔德电荷计算和密立根键级计算。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3具体如下：对于性能参数与结构参数进行基于最小二乘法的拟合分析，不断筛选各种结构参数与性能参数之间的关联性，当关联系数大于0.92时，则存在较强的关联性，将该结构参数作为金属有机骨架材料电催化性能的描述符。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1中待研究的金属有机骨架材料包含多种可溶性金属盐与有机配体合成的金属有机骨架材料，其中可用的可溶性金属盐包括铌、钛、钒、钼、钯、铬、银、锰、镍、铁、锡、钴、钨、铜、锌、锆和铝的金属硝酸盐，氯化物，磷酸盐，硫酸盐，醋酸盐其中的一种或几种。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1中待研究的金属有机骨架材料可用的有机配体包括1,4-苯二甲酸、1,3,5-苯三甲酸，1,2-苯二甲酸、，1,2,4,5-苯四甲酸，苯六甲酸，2-磺酸基对苯二甲酸，2-硝基对苯二甲酸，2-氨基对苯二甲酸，1,1':4',1”-苯基-4,4”-二甲酸，1,1'-二苯基-4,4'-二甲酸，哌嗪，吡嗪，二甲基咪唑，三乙烯二胺，4,4'-联吡啶，1,3-二(4-吡啶)丙烷中的一种或几种。
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CN115646548A (zh) * 2022-06-14 2023-01-31 四川大学 用于去除废水中硝酸盐的Cu基联吡啶双配体电催化剂及其制备方法

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