[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

说明书

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，涉及一种通过金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法。本发明是要解决现有的氧化物团聚的技术问题。本发明提出采用的第一性原理计算，可从原子尺度，基于元素特性和晶体结构，计算氧化物表面对羟基的吸附能力。并对元素间的电子轨道杂化，电荷转移等进行定量分析，从而揭示金属离子掺杂改性氧化物吸附羟基的机理，设计可调控氧化物团聚特性的金属离子掺杂成分。

技术领域

本发明涉及一种通过金属离子掺杂限制金属氧化物团聚的方法。

背景技术

纳米微米氧化物由于尺寸效应具有如生物相容性、光电特性等独特物理化学特性，而被广泛应用于如电接触材料、生物医药材料和光电材料等领域。然而，作为复合相的微纳米氧化物，如氧化锌面临着因高表面能、强极性带来的易团聚问题，而粗大的团聚氧化物作为复合相，一方面将失去尺寸效应带来的性能优势，另一方面将影响复合材料的综合性能。

目前，氧化物复合材料的制备方法主要为传统粉末冶金、共沉淀法、高能球磨法。为阻碍氧化物粉体制备过程中的团聚行为，技术人员开展了大量的工艺调控研究，其关键在于控制氧化物表面对羟基官能团的吸附，调控的手段主要为给予无水环境制备以及利用中性官能团包覆，从而避免表面吸附羟基。尽管上述方法能一定程度抑制氧化物的团聚，然而，在如电接触材料领域，则会在电弧致高温下失效。为阻碍在不同恶劣的服役条件下氧化物的团聚，金属离子掺杂有望通过改变氧化物本身的物理化学特性，从而减少对羟基的吸附，降低其团聚的倾向。

第一性原理计算被广泛用于从原子尺度解释材料本征性能的形成机理，以及预测材料的物理化学特性。相比于实验研究，第一性原理计算在开发新材料方面有更高的效率，而且第一性原理计算可避免实验中各种不可控的实验变量，获得准确的性能规律。

发明内容

本发明是要解决现有的氧化物团聚的技术问题，而提供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。

本发明的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；通过梯度参数几何优化测试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，表示计算模型中划分网格的密度；cut-off为450eV(截断能)，每个K点皆可以用离散平面波基集展开，而理论上展开需要无限个平面波，因小动能平面波的系数更为重要，计算时总是以截断能来作为边界，仅考虑低于截断能的平面波；SCFtolerance为2×10^-6eV/atom，该值为计算的收敛阈值，用于提高计算结果的精确性；

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，考虑不同晶面对羟基官能团吸附的差异；并建立的真空层，真空层的建立是为了使计算模型不受周期性的影响；

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可能：顶位、桥位和间隙位，所以需建立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：