[发明专利]一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法

权利要求书

1.一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，其特征在于基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法是按以下步骤进行的：

一、利用Materials Studio软件的CASTEP模块，采用广义梯度近似（GGA）的PBE泛函描述电子间的交换相互作用，基于第一性原理，对ZnO单胞进行几何优化，获得总能量最稳定的ZnO单胞，并通过梯度参数收敛性试验确定平衡计算效率与计算准确性的三个关键参数：k-point为6×6×6，cut-off为450eV，SCF tolerance为2×10^-6eV/atom；

二、建立ZnO基本模型：将步骤一经过几何优化后的ZnO单胞切取（0001）、（1011）和（1010）三种典型晶面，并建立12Å的真空层；

三、考察羟基官能团在不同ZnO晶面上优先的吸附位置：在各ZnO晶面模型上加入OH羟基官能团，因羟基在晶面模型中ZnO表面的吸附位置有三种情况：顶位、桥位和间隙位，所以建立9种不同晶面和不同吸附位置的OH/ZnO模型，随后对9个模型进行几何优化，根据下方的公式1分别计算9个模型中的氧化锌对羟基吸附能E_ads，选取最大吸附能E_ads对应的晶面和吸附位置作为标准模型，吸附能计算公式如下：

公式1：；

E_OH/ZnO为几何优化算得的OH/ZnO界面模型总能，E_ZnO和E_OH分别为以几何优化后界面原子结构ZnO层总能量和OH层的总能量，A为ZnO的表面积；几何优化中的计算关键参数为：k-point为6×6×1，cut-off为450eV，SCF tolerance为2×10^-6eV/atom；通过算得的9个吸附能，确定OH在ZnO表面的最优吸附位置及晶面为ZnO(0001)-间隙位；

四、计算筛选金属离子对ZnO羟基吸附的抑制：在步骤三选出的标准模型ZnO(0001)-间隙位模型中用多种不同的金属离子M替换表层的Zn原子，随后对模型进行几何优化，再将模型根据公式2计算得羟基吸附能，选取最小吸附能E_ads对应的模型中的金属离子M作为最优掺杂元素；

公式2：；

E_OH/ZnO:M为金属离子M替换表层的Zn原子后的OH/ZnO界面模型总能，E_ZnO:M和E_OH分别为金属离子M替换表层的Zn原子后具有界面原子结构的ZnO层总能量和OH层的总能量，A为ZnO的表面积；几何优化中的计算关键参数为：k-point为6×6×1，cut-off为450eV，SCFtolerance为2×10^-6eV/atom；

步骤四中所述的金属离子M为Li⁺、Ag⁺、K⁺或Na⁺；

五：自蔓延燃烧法制备金属掺杂氧化锌粉体：将硝酸锌、有机燃料和M元素的硝酸盐溶于去离子水中，经过磁力搅拌混合，随后加热至自蔓延燃烧，获得金属离子掺杂氧化锌粉体。

2.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，其特征在于步骤五中所述的有机燃料为甘氨酸和尿素混合而成。

3.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，其特征在于步骤五中硝酸锌的质量和去离子水的体积的比为2.89g:50mL。

4.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理计算设计通过低价金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法，其特征在于步骤五中经过30min的磁力搅拌混合。