[發明專利]一種基于第一性原理計算設計通過低價金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法

有效

• 申請號: 202210079503.7
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114368778B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 邵文柱;陳梓堯;甄良
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C01G9/03
• 分類號: C01G9/03;B82Y40/00;B82Y30/00;G16C20/30;G16C20/90
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種基于第一性原理計算設計通過低價金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法，涉及一種通過金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法。本發明是要解決現有的氧化物團聚的技術問題。本發明提出采用的第一性原理計算，可從原子尺度，基于元素特性和晶體結構，計算氧化物表面對羥基的吸附能力。并對元素間的電子軌道雜化，電荷轉移等進行定量分析，從而揭示金屬離子摻雜改性氧化物吸附羥基的機理，設計可調控氧化物團聚特性的金屬離子摻雜成分。

技術領域

本發明涉及一種通過金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法。

背景技術

納米微米氧化物由于尺寸效應具有如生物相容性、光電特性等獨特物理化學特性，而被廣泛應用于如電接觸材料、生物醫藥材料和光電材料等領域。然而，作為復合相的微納米氧化物，如氧化鋅面臨著因高表面能、強極性帶來的易團聚問題，而粗大的團聚氧化物作為復合相，一方面將失去尺寸效應帶來的性能優勢，另一方面將影響復合材料的綜合性能。

目前，氧化物復合材料的制備方法主要為傳統粉末冶金、共沉淀法、高能球磨法。為阻礙氧化物粉體制備過程中的團聚行為，技術人員開展了大量的工藝調控研究，其關鍵在于控制氧化物表面對羥基官能團的吸附，調控的手段主要為給予無水環境制備以及利用中性官能團包覆，從而避免表面吸附羥基。盡管上述方法能一定程度抑制氧化物的團聚，然而，在如電接觸材料領域，則會在電弧致高溫下失效。為阻礙在不同惡劣的服役條件下氧化物的團聚，金屬離子摻雜有望通過改變氧化物本身的物理化學特性，從而減少對羥基的吸附，降低其團聚的傾向。

第一性原理計算被廣泛用于從原子尺度解釋材料本征性能的形成機理，以及預測材料的物理化學特性。相比于實驗研究，第一性原理計算在開發新材料方面有更高的效率，而且第一性原理計算可避免實驗中各種不可控的實驗變量，獲得準確的性能規律。

發明內容

本發明是要解決現有的氧化物團聚的技術問題，而提供一種基于第一性原理計算設計通過低價金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法。

本發明的基于第一性原理計算設計通過低價金屬離子摻雜限制金屬氧化物團聚的方法是按以下步驟進行的：

一、利用Materials Studio軟件的CASTEP模塊，采用廣義梯度近似(GGA)的PBE泛函描述電子間的交換相互作用，基于第一性原理，對ZnO單胞進行幾何優化，獲得總能量最穩定的ZnO單胞；通過梯度參數幾何優化測試確定平衡計算效率與計算準確性的三個關鍵參數：k-point為6×6×6，表示計算模型中劃分網格的密度；cut-off為450eV(截斷能)，每個K點皆可以用離散平面波基集展開，而理論上展開需要無限個平面波，因小動能平面波的系數更為重要，計算時總是以截斷能來作為邊界，僅考慮低于截斷能的平面波；SCFtolerance為2×10^-6eV/atom，該值為計算的收斂閾值，用于提高計算結果的精確性；

二、建立ZnO基本模型：將步驟一經過幾何優化后的ZnO單胞切取(0001)、(1011)和(1010)三種典型晶面，考慮不同晶面對羥基官能團吸附的差異；并建立的真空層，真空層的建立是為了使計算模型不受周期性的影響；

三、考察羥基官能團在不同ZnO晶面上優先的吸附位置：在各ZnO晶面模型上加入OH羥基官能團，因羥基在晶面模型中ZnO表面的吸附位置有三種可能：頂位、橋位和間隙位，所以需建立9種不同晶面和不同吸附位置的OH/ZnO模型，隨后對9個模型進行幾何優化，根據下方的公式1分別計算9個模型中的氧化鋅對羥基吸附能E_ads，選取最大吸附能E_ads對應的晶面和吸附位置作為標準模型，吸附能計算公式如下：

公式1：