[发明专利]Fe原子掺杂和吸附改善ZnO(0001)表面光催化性质的计算方法

说明书

本发明公开了一种Fe原子掺杂和吸附改善ZnO(0001)表面光催化性质的计算方法，包括：在MS软件中构建ZnO体材料的原胞，并进行结构优化，再构建ZnO(0001)表面超晶胞，以及Fe原子在纯ZnO(0001)表面上不同位点的掺杂和吸附模型；对其表面进行结构优化和GGA+U方法的计算，并选定能带结构、态密度和光学性质以及分别对应的精度，各模型计算；利用CASTEP模块对各模型分析，得到Fe原子掺杂和吸附的ZnO(0001)表面的形成能和光学性质常数和功函数，得到各模型对应的电子结构和光学性质。从而提高了ZnO(0001)表面在可见光范围内的光催化活性,对ZnO光催化的实际应用提供了一定的参考。

技术领域

本发明涉及提高ZnO(0001)表面光催化性质的研究领域，及其一种采用 MS软件中基于密度泛函的CASTEP模块计算Fe掺杂和吸附的ZnO(0001) 表面体系的电子结构和光学性质的方法。其特征是Fe原子对ZnO(0001)表面掺杂和吸附模型的建立，并利用CASTEP模块计算各Fe掺杂和吸附的ZnO (0001)表面模型的电子结构和光学性质，并结合能带理论和电子跃迁理论对光催化性质的内部机理进行研究，对ZnO光催化的实际应用提供一定的参考。

背景技术

目前，环境污染和能源危机成为了影响人类生活的重大问题之一，而以半导体材料为媒介的光催化剂因在降解污染物方面具有巨大的应用潜力而引起了人们的广泛关注。ZnO半导体材料由于高的光敏感性和生物相容性以及低成本、高达60meV的激子结合能、低的介电常量、大的光电耦合率和高的化学稳定性等良好的性能使其在众多的光催化半导体材料中脱颖而出。尤其是基于宽禁带ZnO半导体光催化材料的光催化技术具有能耗低、效率高、反应条件温和、可减少二次污染等优点，引起了人们的高度重视。但在实际应用中存在太阳光利用率低、光生载流子重新复合会降低催化活性和催化剂回收利用难等缺点，限制了其进一步的发展。

近年来，人们通过在ZnO中引入杂质、缺陷或改变其形貌等方式来拓展其光谱响应范围，2013年张海峰等人通过理论计算表明在四个低密勒指数表面中，ZnO(0001)表面在可见光范围内具有最高的光催化活性，并于次年进一步发现Si原子在ZnO(0001)表面的吸附可以增强对太阳光的利用； Lahmer于2016年研究了贵金属Ag原子在ZnO非极性表面上吸附的光催化机理，结果发现Ag原子吸附在可见光范围内产生了新的吸收峰从而增强了ZnO表面的光催化活性。到目前为止，实验和理论上已有关于Fe原子掺杂ZnO纳米晶体增强其光催化活性来提高有机物降解速率的报道，但对于Fe原子在ZnO(0001)表面上的掺杂和吸附的光催化机理尚未有研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Fe原子掺杂和吸附改善ZnO(0001)表面光催化性质的计算方法，其特色在于通过MS软件构建Fe原子掺杂和吸附的 ZnO(0001)表面的超晶胞模型，运用其中的CASTEP模块来计算Fe原子掺杂和吸附于ZnO表面超晶胞模型的结构稳定性、电子结构和光吸收谱，并借助Origin绘图软件对计算结果进行绘制和分析，通过电子结构中电子跃迁机理对光吸收系数的影响来研究其光催化性质。

本发明采用的CASTEP软件包是专为固体材料学设计的从头算量子力学软件包之一，采用密度泛函理论下的平面波赝势方法可对晶体及其表面特性进行第一性原理模拟计算。通过确定计算参数对所构建的各材料体系进行计算，对输出文件进行分析可以研究各材料系统对应的几何结构、电子结构、和光学特性等得到所需要的结果。

本发明的目的是通过以下所述技术方案来实现的。

本发明是基于第一性原理的理论计算，提出一种Fe原子掺杂和吸附改善ZnO(0001)表面光催化性质的计算方法，包括下述步骤：

1)构建模型

1a)在Materials Studio软件中构建ZnO体材料的原胞，并对其进行结构优化；