[發明專利]一種針對銅族金屬耐腐蝕性晶面的快速篩選方法

在審

• 申請號: 202210843852.1
• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115171809A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 朱勇;孫升;張統一
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G16C20/64
• 分類號: G16C20/64;G16C20/80
• 代理公司: 江蘇易文通知識產權代理有限公司 32512
• 代理人: 劉穎

本發明提供了一種針對銅族金屬耐腐蝕性晶面的快速篩選方法，包括：采用層狀平板周期模型模擬金屬在電化學界面的溶解過程，輸出電子密度分布文件；對輸出文件進行預處理，得到沿Z軸的面平均電子密度分布曲線；劃分結構的原子層內與層間區域；對電子密度在層間與層內區域的變化進行分析，通過層間電子數占比判斷銅族金屬不同晶面的電極結構耐腐蝕溶解性能。本發明創新地對第一性原理計算模型的原子層內與層間區域進行劃分，可更為高效地對銅族金屬結構的電子密度進行量化計算，并最終得到簡潔清晰的電子數占比分布圖，對結構變化造成的電子密度分布差異進行有效地呈現，相比于進行能量曲線計算能更為快速地判斷更具耐腐蝕性的晶面結構。

技術領域

本發明涉及銅族金屬晶面相關耐腐蝕性能的快速判斷方法，適用于銅族金屬在真空或溶液中的電化學過程模擬計算結果的分析，通過對電子密度變化進而篩選更具耐腐蝕性的晶面結構。

背景技術

基于密度泛函理論的第一性原理計算方法對晶體材料的微觀結構與性質研究有著廣泛的應用，近年來高通量計算的發展也衍生出眾多相關模擬計算軟件。第一性原理計算在材料設計與原理分析方面具有重要的科學意義。以電化學腐蝕行為的研究為例，實驗層面往往受限于成本與精度等原因難以進行微觀尺度研究，而第一性原理則成為越來越廣泛的一種有效研究手段。在對電化學界面的計算模擬過程中，往往對電極部分采用層狀平板模型(slab model)并應用晶體周期性邊界條件，溶液層則加入到金屬表面上方與真空隔離層之間，進行一系列的模擬計算。圍繞金屬材料的電化學界面建立相關模型，通過理論上從原子、電子尺度的精細計算并結合材料組分、結構的關系，可以探究材料的腐蝕現象相關機理，進而協助和指導實驗以提高材料的抗腐蝕能力。其中，不同的晶體取向對金屬的腐蝕行為有著重要的影響。通過實驗或計算的手段獲得更具耐腐蝕性的晶面結構，對金屬電極材料的研究與設計有著重要意義。

對第一性原理的微觀尺度模擬過程中，電子密度在晶體結構的分布對材料的吸附性、結合性等都有著強烈的影響作用。借助對電子密度分布差異的分析，可以揭示各類電化學行為的原因。基于此，利用簡易直觀的電子密度分析手段對金屬銅電極更具耐腐蝕的晶面結構進行判斷的方法是本領域的迫切需求。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種針對銅族金屬耐腐蝕性晶面的快速篩選方法，解決了上述背景技術中提出的技術問題。

為實現上述目的，本發明的一方面提供了一種針對銅族金屬耐腐蝕性晶面的快速篩選方法，包括如下步驟：

S1、基于JDFTx計算軟件，采用層狀平板模型模擬建立電化學界面，對銅族金屬模型進行初始計算，得到結構計算的輸出結果；在輸出文件中得到對應k點網格劃分后空間坐標軸(x,y,z)中各位置的電子密度分布文件；

S2、基于初始的電子密度分布分布文件，利用計算腳本建立平均電子密度沿Z軸的分布曲線圖；

S3、基于S2中所得的電子密度沿Z軸的分布曲線，對模型原子層結構劃分出原子層內與層間區域；

S4、對電子密度在層間與層內區域的變化進行分析，通過層間電子數占比判斷銅族金屬電極結構的耐腐蝕溶解性能。

優選地，所述利用計算腳本建立平均電子密度沿Z軸的分布曲線圖：

對空間坐標軸(x,y,z)的電子密度初始分布文件進行預處理，已知其對應的a×b×c個空間網格點處對應的電子密度分布；對垂直于Z軸的平面上電子密度進行加和平均化，即對系列空間a×b×c的數據點集化為m×c的二維矩陣；以電極結構的中間層原子所在位置為0點，將沿Z軸分布的面平均電子密度位點連接獲得電子密度沿Z軸的分布曲線。

優選地，所述對模型原子層結構劃分出原子層內與層間區域包括：

已知計算模型中各原子層Z軸方向的坐標以及模型體積參數，據此計算結構中各相鄰原子層之間的距離d；將原子層間距劃為平均的4等份，兩側部分各歸屬于對應臨近原子層的層內區域，中間兩等份合并稱為兩原子層的層間區域。