[发明专利]一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法

摘要

本发明提供了一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法，基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算稀土掺杂前后二氧化锡晶体结构参数的变化，预测改性性能，以镧为掺杂剂，对不同浓度La掺杂SnO₂的晶体几何结构进行了优化，计算了不同镧掺杂量下SnO₂晶胞的晶格常数、能带结构、态密度及形成能，表明掺杂后的SnO₂具有高的电导率和较好的电催化性能，随着掺杂浓度的增加，能带简并化加剧，受主杂质能级向远离价带顶方向移动，掺杂浓度为1.39％时，形成能最低，此时SnO₂的电子结构最稳定，实验验证，实际添加量在1.5％时，催化性能最佳，本发明亦可根据掺杂元素的不同及所掺杂的不同电极体系，对其他稀土或元素掺杂对不同体系的氧化物电极性能进行有效预测分析。

主权项

1.一种稀土掺杂改性钛基二氧化锡电极性能的预测方法，其特征在于，基于第一性原理的密度泛函理论，通过计算稀土掺杂前后二氧化锡晶体结构参数的变化，预测改性性能；计算过程包括：先构建稀土掺杂二氧化锡晶格结构模型，用不同比例的稀土原子取代锡原子，然后进行结构优化，获得最稳定结构后，进行相关晶格参数计算，所述稀土为镧；计算过程中稀土镧掺杂摩尔浓度分别确定0.78％，1.39％，1.85％以及6.25％，掺杂后禁带宽度随着掺杂浓度的增加出现先减小后增大的趋势；晶格参数包括晶格的电荷密度、能带结构和态密度，为得到比较稳定精确的数据，首先对理想的SnO2晶胞和La掺杂后的SnO2晶胞进行几何结构的优化，得到准确的晶胞参数后，再优化其内坐标，计算过程中La、Sn、O三种原子参与计算的电子构型为：[Xe]4f05d16s2、[Kr]5s25p2、[He]2s22p2；稀土掺杂前后二氧化锡晶体结构参数的变化包括：掺杂前后晶格变化、元素价态及成键情况变化、费米能级的位置及态密度值变化、导带和价带之间关系的变化以及电子的数量变化及其跃迁，最后确定掺杂后电极晶格微观结构及性质变化，明确微观结构变化对电极性能的影响，为高性能电极的制备和改性提供预测方法；所述稀土掺杂二氧化锡晶格结构模型的构建方法是：根据理想SnO2晶胞四方晶系的金红石结构，及其隶属的P42/MNM空间群，选取晶格常数a＝b＝0.4737nm，c＝0.3186nm，α＝β＝γ＝900，利用CASTEP计算模块建立具有立方对称性的二氧化锡晶格结构，晶胞由位于顶点和体心的Sn4+和在Sn4+周围的O2‑构成，Sn4+与O2‑的比例是6:3，O2‑间形成了一个氧八面体结构，而相邻的链通过八面体顶点的O2‑相互连接，根据实验制作电极过程中实际掺杂数据确定掺杂比例，分别利用不同个数的镧原子取代相应的锡原子，建立镧掺杂比例分别为0.78％，1.39％，1.85％以及6.25％的二氧化锡晶格模型；在计算中所用的晶格常数为一致认可的实验值，电子与电子间的作用力均采用GGA进行校正，平面波的截断能E_out＝380eV，自洽场中收敛性标准(SCF)为5x10^‑7eV/atom，迭代过程能量收敛精度为5x10^‑6ev/atom，布里渊区k点值为Fine，作用在每个原子上的力不少于内应力不小于0.02GPa，能量计算均在倒异空间中进行；所有计算分析结果要与掺杂后电极降解废水实际电催化效果相对比验证，最后确定掺杂后电极晶格微观结构及性质变化，对电极电催化活性的影响，为高性能电极的制备和改性提供预测方法，同时确保计算方法的可靠性。