本发明涉及储氢性能预测领域，具体涉及一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法。
背景技术：
1、固态储氢技术是利用固态储氢材料实现可逆存储与释放氢气，分为物理吸附储氢和化学储氢。物理吸附储氢利用储氢材料高比表面积和微孔结构特点，主要通过范德华力实现氢气与吸附材料可逆储氢。其中，金属有机框架材料mofs具有框架密度小，比表面积大的特点，但是，由于氢分子与mofs材料间相互作用弱的原因，导致质量储氢密度低，并且，mofs材料的在分子、原子和电子水平的储氢微观机理不完善，导致mofs储氢材料的开发只能采用“试错法”，导致研发效率低且无法准确调控储氢性能。
2、提升mofs材料储氢性能的方法主要分为内部结构改性和表面改性。其中，内部结构改性的基本原理为，利用金属原子、非金属原子和官能团等替换mofs的结构组成部分来协调结构的物理和化学特性，进而增强氢分子吸附性能。例如，现有文献1(pd-dopedhkust-1mofs for enhanced hydrogen storage:effect of hydrogen spillover[j].rscadvances,2023,13(22):14980-14990.)采用超声辅助双溶剂法合成了钯原子掺杂的mofs材料，微小的钯纳米颗粒被限制在mofs空隙空间中，使得改性的mofs材料表现出高储氢性能。该技术方案通过实验方法证实了金属原子掺杂能有效改善mofs的储氢性能，然而，此类基于mofs内部结构或表面改性的实验方法，存在实验变量不可控和mofs储氢材料筛选低效问题。
3、通过计算模拟方法预测mofs材料储氢性能可提高研发效率，并且，筛选合适的mofs储氢材料。目前常用方法有两种，第一性原理方法和分子动力学方法。
4、基于分子动力学方法来进行计算模拟mofs材料储氢性能是常见的现有技术方案之一，例如，现有文献2(critical factors in computational characterization ofhydrogen storage in metal-organic frameworks[j].the journal of physicalchemistry c,2018,122(33):18957-18967.)在近500个实验改进的mof结构进行了gcmc分子动力学方法模拟氢气吸附，基于在77k和100bar条件下的孔隙体积利用效率，筛选出mof-5这种合适的低温储氢材料。该技术方案通过计算原子或分子间的相互作用力来模拟氢分子在不同条件下的氢分子在mofs材料上的吸附与分离性能。但是，分子动力学方法对涉及电子尺度描述氢分子与mofs材料间相互作用方面精度低，因此，此类方法存在计算模拟准确度不够的系统问题。
5、与上述基于分子动力学方法不同，第一性原理计算方法能够准确地计算材料的电子结构和性质，从而提高mofs储氢材料预测精度。例如，现有文献3(enhancement ofhydrogen storage properties of metal-organic framework-5by substitution(zn,cdand mg)and decoration(li,be and na)[j].international journal of hydrogenenergy,2021,46(52):26426-26436.)利用电子性质计算结果分析，解释了氢分子在改性mofs材料上吸附机理是氢分子的极化效应。因此，第一性原理计算方法对mofs储氢性能的预测具有更好的效果，具体体现在，不仅能预测不同mofs材料储氢量和氢分子吸附强度，还能从电子尺度准确分析氢分子与mofs材料间相互作用机理，即微观储氢机理。
6、综上，为了提高mofs材料储氢性能预测的准确性，筛选出氢分子吸附强度弱、储氢量低的mofs材料，需解决以下问题：
7、1，mofs储氢性能的预测，需要选择准确的计算模拟方法，同时，设置计算参数；
8、2，对筛选效果的影响除计算参数外，mofs内部结构改性策略的选择同样会影响筛选效果，需要缩小筛选条件的范围。
技术实现思路
1、为解决现有技术问题，本发明的目的是提供一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法。针对现有技术存在的技术问题，采用以下方式来解决上述问题：
2、1、选用第一性原理计算方法，以平面波能量截断判据、k空间网格、作用力和能量差判据为代表参数，对构建的mofs晶体结构进行计算模拟，然后根据计算结果，以氢分子吸附能和氢分子最大吸附数为判据，获得筛选后的改性mofs储氢材料；
3、2、内部结构改性策略需要考虑，非金属原子、金属原子和官能团在不同活性中心单独作用和协同作用的影响。
4、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5、一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法，预测方法由模型构建、计算模拟和结果分析3个部分组成，其中，
6、模型构建部分，利用mofs标准结构、备选元素与官能团和单个氢分子结构，使用vesta软件，构建mofs初始结构、mofs改性结构、mofs氢吸附结构；
7、计算模拟部分，使用vasp软件计算，包含结构优化计算、静态计算和电子性质计算；
8、结果分析部分，包含计算模拟得到的稳态结构、稳态能量和电子性质的态密度信息。
9、一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法，具体包括以下步骤：
10、步骤1，mofs初始结构与改性结构建立，包含标准结构、初始结构、改性结构，首先，从现有公开的晶体结构数据库中导出建立mofs标准结构，即mofs标准结构的建立，然后，利用vesta软件对mofs标准结构简化，得到mofs初始结构，即mofs初始结构的建立，最后，利用备选元素和官能团掺杂的方式对mofs初始结构改性，得到mofs改性结构，即mofs改性结构的建立，将得到的mofs初始与改性结构数据文件类型转为.vasp文件，便于后续计算模拟；
11、所述步骤1包括以下步骤，
12、步骤1.1，mofs标准结构的建立，从现有公开的数据库materials project中导出，即建立mofs标准结构；
13、步骤1.2，mofs初始结构的建立，利用vesta软件，调整晶格常数和原子数完成对mofs标准结构简化，即建立mofs初始结构；
14、步骤1.3，mofs改性结构的建立，利用备选元素和官能团掺杂的方式对mofs初始结构中不同活性位点进行改性；
15、步骤2，mofs初始结构与改性结构计算模拟与结果分析，基于第一性原理计算方法，首先，设置相关计算参数进行结构优化计算，即得到mofs初始结构与改性结构的稳态结构计算结果，然后，进行静态计算和电子性质计算，即得到mofs初始结构与改性结构的稳态能量和态密度信息计算结果；
16、所述步骤2包括以下步骤，
17、步骤2.1，mofs初始结构与改性结构计算模拟参数设置，参数有k空间网格，平面波能量截断判据，作用力判据，能量差判据，对所有原子位置进行优化，即可完成计算参数的设置；
18、步骤2.2，mofs初始结构与改性结构的结果分析，通过结构优化计算获得稳态结构、静态计算获得稳态能量、电子性质计算获得态密度信息；
19、步骤3，单氢分子mofs氢吸附结构的建立，基于步骤2得到的mofs改性结构，即备选元素和官能团同时改性结构，利用vesta软件，将氢分子以平行方式置于活性中心得到，即可建立单氢分子mofs氢吸附结构，用mofs@1h2表示，将结构数据文件类型转为.vasp文件，便于后续计算模拟；
20、步骤4，mofs@1h2结构的计算模拟与结果分析，首先，进行结构优化计算，得到mofs@1h2结构的稳态结构计算结果，然后，进行静态计算，得到稳态能量计算结果，并根据稳态能量计算单个氢分子吸附能；
21、所述步骤4包括以下步骤，
22、步骤4.1，mofs@1h2计算模拟的参数设置，与步骤2.1一致；
23、步骤4.2，mofs@1h2的结果分析，h-h键键长用于判断氢分子在mofs材料中吸附强弱，键长增大表明有吸附作用，氢分子中h-h键键长为
24、步骤4.3，mofs@1h2结构氢分子吸附能的计算，用于判断单个氢分子吸附强度，公式如下：
25、eads＝etotal(mofs@1h2)-[etotal(mofs)+e(h2)]
26、其中，etotal(mofs@1h2)为mofs@1h2氢吸附结构总能量，
27、etotal(mofs)为mofs改性结构总能量，
28、e(h2)为单个氢分子总能量；
29、计算所得吸附能为负值，说明氢分子可以吸附在该材料中，且值越负，吸附强度越大；
30、由于氢吸附较弱导致材料储氢容量低、吸附过强阻碍材料放氢速度，因此，吸附能的选择区间设置为-0.2～-0.4ev之间；
31、步骤5，多氢分子mofs氢吸附结构的建立、计算模拟和结果分析，首先，基于步骤3，通过增加吸附氢分子的个数，构建多个氢分子吸附的结构，即可建立多氢分子mofs氢吸附结构，然后，对多氢分子mofs氢吸附结构进行计算模拟，即可得到氢分子吸附量、氢分子平均吸附能并分析氢分子吸附机理；
32、所述步骤5包括以下步骤，
33、步骤5.1，多氢分子mofs氢吸附结构的建立，利用vesta软件，在活性位点上逐步添加氢分子，即可建立多氢分子mofs氢吸附结构；
34、步骤5.2，多氢分子mofs氢吸附结构的计算模拟，计算参数与2.1一致；
35、步骤5.3，多氢分子mofs氢吸附结构的结果分析，包含氢分子吸附量、氢分子平均吸附能和储氢机理。
36、一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法，筛选结果为，存在2种改性mofs氢吸附结构，具体为，2na-ch3@8h2和2na-nh2@8h2；所述筛选结果的改性mofs氢吸附结构可吸附8个氢分子，并且，氢分子平均吸附能处于-0.2～-0.4ev。
37、本发明经测试可知，具体有以下性能和特点：
38、1、选用备选元素和官能团掺杂的方式对mof-5初始结构改性，基于不同改性方法的组合，获得10种单个氢分子结构mof-5@1h2，以h-h键键长和氢分子吸附能为判据，筛选出li-ch3@1h2、li-nh2@1h2、na-ch3@1h2和na-nh2@1h2这4种满足氢吸附能理想区间的结构；
39、2、最大氢分子吸附量的测试，表明2na-ch3@8h2和2na-nh2@8h2这2种结构，具有氢分子吸附量高的特点，可达8个；氢分子吸附能增强，均处于理想区间；电荷转移计算结果表明氢分子依靠极化作用可以实现在mofs材料上的吸附；
40、通过以上测试证明本发明预测方法具有有效性。
41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
42、1、基于第一性原理计算方法，筛选出不同改性策略下mofs的稳定结构，并进一步获得单个氢分子吸附结构，通过对比不同改性mofs结构上氢分子的吸附能来筛选mofs改性策略；基于筛选出的改性mofs结构，构建多氢分子吸附结构，获得2na-ch3和2na-nh2这2种改性mofs结构的氢分子吸附个数达到8个，同时，氢分子平均吸附能处于-0.2～-0.4ev的理想区间，证明本发明筛选方法筛选出的mofs储氢性能高于现有文献；
43、2、筛选的改性mofs材料，计算结果表明氢分子依靠极化作用吸附在改性mofs材料上，证明本发明筛选方法的准确性高于现有文献。
1.一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法，其特征在于：预测方法由模型构建、计算模拟和结果分析3个部分组成，其中，
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤，
4.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤，
5.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤，
6.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于：所述步骤5包括以下步骤，
7.一种基于第一性原理计算的mofs储氢性能预测方法，其特征在于：筛选结果为，存在2种改性mofs氢吸附结构，具体为，2na-ch3@8h2和2na-nh2@8h2。
8.根据权利要求7所述的预测方法，其特征在于：所述筛选结果的改性mofs氢吸附结构可吸附8个氢分子，并且，氢分子平均吸附能处于-0.2～-0.4ev。
