[发明专利]一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法

说明书

本发明是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法。所述方法为选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化并计算光学性质；以光学响应区间为主要依据筛选功能基元，构造碳基功能材料；通过调节组成和比例，优化稳定性和光学性质，获得太阳光谱全吸收的碳基功能材料。本发明为实验研究提供功能基元和序构等信息，避免大量试错实验造成的成本损失，可应用于光催化、太阳能电池、光热材料、光蒸发水、超黑材料等与光吸收相关的研究和应用领域，以及与精密光学设备、感知等相关的航空航天领域。

技术领域

本发明涉及功能材料设计技术领域，是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法。

背景技术

以石墨烯为代表的碳材料具有优异的物理和化学性质。以碳材料作为基底，以金属、非金属、氧化物等作为负载，可制备出具有特殊形貌和性能的碳基功能材料，已广泛的应用于光学成像、清洁能源、储能、电极材料、海水淡化、催化、环境应急、防腐涂料、结构材料、精密制造、深空深海探测等领域，发挥了巨大的作用。

为了获得具有特殊光学性质的碳基功能材料，选择合适的负载，优化界面性质，是实现较高的性能的关键。深入理解材料的结构和微观机理并以此来指导材料体系的设计，是近年来发展起来的一种有效的设计策略。然而，目前对碳材料和负载材料的微观结构、性质和光学性能产生机理的理论研究还不够深入，尤其是碳材料与负载材料之间的相互作用尚不清楚，导致碳基功能材料的设计缺乏理论指导，针对性不强。常规的碳基功能材料的开发只能依靠大量的试错实验，成本过高，效率低下。因此，开发高效的碳基复合材料的精准设计方法，是目前需要解决的关键。

受到实验条件和成本的约束，目前碳基功能材料的制备多以先设计制备、再表征性能的方式，使得设计缺乏指导、制备缺乏定向、性能无法预判。

发明内容

本发明为根据各个功能基元的光学响应区间，选取合适的功能基元，使其光学响应区间的覆盖范围最大化，本发明提供了一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化；

步骤2：计算能带、太密度、差分电荷、介电函数，计算光学响应区间和响应强度；

步骤3：筛选出光学响应区间宽的功能基元；根据光学性能筛选基元，构造碳基功能材料；设定组成和比例，生成结构，对结构进行优化，计算结合能；

步骤4：对结合能的稳定性进行判断，当不稳定时，则返回步骤3；当满足稳定性时，计算光学性质；

步骤5：对光学性质进行计算，并进行性能判断，当性能不满足时，返回步骤3，当性能满足时，则收集组成、结构和活性信息。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：采用Materials Studio软件包中Materials Project晶体结构库中的晶胞信息构建出碳材料和负载材料基元晶胞模型，并保存为CIF文件；

步骤1.2：:采用VESTA软件将CIF文件构造为输入文件POSCAR；

步骤1.3：根据碳材料和负载材料基元晶胞模型中的元素组成，选取相应的泛函和基组，构造POTCAR文件，对ENCUT、EFIFF和K点进行优化，构造INCAR和KPINTS文件。

优选地，所述步骤2具体为: