一种筛选高效AB制造技术

本发明专利技术公开一种筛选高效AB

【技术实现步骤摘要】
一种筛选高效AB2O4型尖晶石半导体光催化材料的理论方法
本专利技术涉及多元半导体型光催化材料的设计与开发领域，具体涉及一种基于第一性原理，计算尖晶石热力学稳定性、电子性质及光吸收性质的方法，其特征是首先采用元素替换法，构建出一系列新型AB2O4型尖晶石模型，并利用QuantumEspresso软件计算尖晶石的热力学稳定性、电子性质、光吸收性质，依据半导体光催化材料设计原理，筛选潜在稳定高效的尖晶石型光催化半导体，为尖晶石型光催化材料的设计提供理论支持。技术背景无机半导体光催化技术能够将低密度的太阳能转化为高密度的化学能，在解决能源及环境污染等问题方面具有重大的意义。如果半导体所吸收的光子能够全部转化为电子-空穴对，那么当吸收波长覆盖至800nm时，理论转化效率可高达32%。然而，现有光催化材料的量子转换效率仍旧远低于进行商业级应用要求的10%的转换效率，而且普遍存在着可见光转换效率差及光生电子空穴对复合率高的问题。新型高效稳定的半导体光催化材料仍是光催化技术所研究的主要对象。在过去几十年间，半导体光电化学转换技术受到了研究者们广泛关注。研究表明多种块体材料、二维材料、异质结、有机-无机杂化材料等均可用于光催化领域。然而，目前应用范围最广、使用频率最高的半导体仍旧局限在单元及二元化合物范围内。相较于单元及二元半导体，多元半导体的种类更加丰富，而且其较大的混合熵有助于提高材料的稳定性。此外，多元半导体材料电子结构对其晶格内元素组成及占位十分敏感。因此极有可能在多元半导体材料范围内，根据不同应用领域对材料电子性质的需求，通过调节元素的组成及占位实现对材料电子结构的可控调节，获得理想的高效光催化材料。多种钙钛矿型、尖晶石型、铋基氧化物型以及有机聚合物型多元半导体材料都表现出了良好的光催化潜力。其中，尖晶石型半导体以其独特的晶体结构、价格低廉及稳定性良好等优势，受到了研究者们的广泛关注。尖晶石型氧化物的化学通式为AB2O4，其四面体中心位置（A位）能够被碱土金属和过渡金属原子占据，八面体中心位置（B位）则通常由IIIA族元素、过渡金属甚至是一些四价金属元素占据。尖晶石晶格的稳定性对A\B位元素的排布不敏感，但晶格中四面体和八面体内部以及二者之间复杂的电子相互作用导致其光电化学活性对元素种类和排布的变换十分敏感。尖晶石这样的结构特征十分有利于新型光催化材料的筛选和设计。目前，关于尖晶石型多元半导体在光催化领域应用的研究较少，并且现有研究主要集中在实验领域，实验的“炒菜式”新材料设计方法耗费大量人力财力，导致材料开发设计周期长、实验成本高。目前，尚未有从理论角度针对尖晶石型多元半导体其光电化学活性开展系统的研究和筛选，现阶段对于尖晶石内部的电子结构、光吸收及载流子分离和传输机制还没有完全明确。第一性原理计算已经成功应用于新型光催化材料的探索和筛选，其不仅可以验证与解析实验结果，而且可以从电子和原子尺度深入探讨尖晶石内部的电子结构及光吸收特性，筛选潜在稳定高效的新型尖晶石型光催化材料，节约研发成本，为新型高效多元半导体型光催化材料的开发和设计提供理论指导。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种筛选高效尖晶石型光催化材料的理论方法，其特色是首先构建AB2O4型尖晶石型多元氧化物模型，随后基于第一性原理，对尖晶石模型进行充分的结构弛豫，进一步计算其电子性质及光吸收系数，利用绘图软件绘制能带结构图、分波态密度、电荷密度图，计算并分析不同组分尖晶石的形成焓，判断其热力学稳定性，依据半导体光催化材料的设计原理，分析尖晶石的禁带宽度、带边位置、光谱吸收特性，筛选高效尖晶石型光催化材料。本专利技术方法所采用的计算机模拟软件为QuantumEspresso软件包。QuantumEspresso是一个基于密度泛函理论、平面波以及赝势的开源软件，涵盖纳米尺度的电子结构计算与材料模拟，该程序能够计算固体或分子涉及热学、声学、电学、磁学及光学等在内的多种物理性质以及化学反应势垒等化学性质。QuantumEspresso的输入文件包括.in文件及赝势文件，其中.in文件中包含了计算控制参数、体系结构及倒空间K点取样设置参数。本专利技术方法基于第一性原理，用于筛选高效尖晶石型光催化材料的理论方法包括以下步骤：（1）模型构建在元素周期表中选取多种元素，利用尖晶石型半导体晶格骨架，采用元素置换法，构建尖晶石模型，借助VESTA软件检验模型合理性；（2）计算模拟a.结构优化选取合适的赝势文件，设置好.in输入文件，利用QuantumEspresso软件将步骤（1）中得到的模型进行充分的结构弛豫，最终得到各模型基态的结构数据，以备用于下一步静态自洽计算（scf）的输入文件中；b.静态自洽计算进行静态自洽计算，生成各体系的波函数及电荷密度数据文件，并得到基态下尖晶石模型的能量数据，并计算尖晶石内各组成元素在其单质态下的能量；c.电子性质及光吸收系数的计算在上一步静态自洽的基础上，利用得到的电荷密度及波函数文件，修改输入文件参数，研究尖晶石的电子性质及光吸收性质，分别依次进行电子态密度、能带结构和光吸收性质的计算；（3）结果分析与处理a.通过VESTA软件可视化充分弛豫后的尖晶石的基态结构，分析其结构特征，检验结构合理性；b.提取自洽计算步骤中尖晶石及其内部组成元素对应的能量，利用形成焓计算公式，计算其形成焓，分析其热力学稳定性；c.绘制电荷密度图、分波态密度图、能带结构图，分析其内部电子结构特征，分析内部组分与电子性质间的构效关系；d.光学性质分析，提取尖晶石的介电函数，运用公式求得其对应的光吸收系数。绘制尖晶石型半导体的光吸收系数图谱；e.依据光催化材料的设计原理，对比不同尖晶石的能带结构及光吸收系数，筛选出潜在的稳定高效尖晶石型光催化材料，从而指导实验设计，缩短新型尖晶石型光催化材料的研发周期。优选地，所述步骤（1）中，运用的计算软件为QuantumEspresso。优选地，所述步骤（1）中所构建的尖晶石结构模型为含有56个原子的单胞模型。优选地，所述步骤（2）中采用在交换关联泛函采用广义梯度近似框架(generalizedgradientapproximation,GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法，在结构弛豫步骤中，平面波截断能为35Ry，离子步的能量收敛标准为1.0×10-5Ha，倒空间中K点网格密度取为5×5×5。优选地，所述步骤（2）中采用GGA+U方法进行电子结构及光吸收性质计算。优选地，所述步骤（2）计算能带结构的过程中倒空间的K点采用Line模式，具体设置为沿高对称点Г-L-X-W-K-Г的Line模式。本专利技术方法具有如下优点：提供了一种采用QuantumEspresso软件筛选高效AB2O4型尖晶石型光催化材料的理论方法。本专利技术方法具有速度快、计算结果准确的特点，并且本专利技术能够为新型尖晶石型光催化材料的理论设计提供直接的理论指导；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提供了一种筛选高效AB

【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种筛选高效AB2O4型尖晶石光催化材料的理论方法，构建尖晶石的几何结构模型，对其进行充分的结构弛豫，并通过形成焓的计算分析其热力学的稳定性，计算其电子和光吸收特性，得出尖晶石的禁带宽度、带边位置、光吸收系数，利用光催化材料设计理论，分析比较不同尖晶石型材料的带隙宽度、带边位置及光吸收系数，进而从理论上筛选出优异的尖晶石型光催化材料，所述方法的实施方式分以下3步：
（1）模型构建
在元素周期表中选取多种元素，利用尖晶石型半导体晶格骨架，采用元素置换法，构建尖晶石模型，借助VESTA软件检验模型合理性；
（2）计算模拟
a.结构优化
选取合适的赝势文件，设置好.in输入文件，利用QuantumEspresso软件将步骤1中得到的模型进行充分的结构弛豫，最终得到各模型基态的结构数据，以备用于下一步静态自洽计算（scf）的输入文件中；
b.静态自洽计算
进行静态自洽计算，生成各体系的波函数及电荷密度数据文件，并得到基态下尖晶石模型的能量数据，并计算尖晶石内各组成元素在其单质态下的能量；
c.电子性质及光吸收系数的计算
在上一步静态自洽的基础上，利用得到的电荷密度及波函数文件，修改输入文件参数，研究尖晶石的电子性质及光吸收性质，分别依次进行电子态密度、能带结构和光吸收性质的计算；
（3）结果处理与分析
a.通过VESTA软件可视化充分弛豫后的尖晶石的基态结构，分析其结构特征，检验结构合理性；
b.提取自洽计算步骤中尖晶石及其内部组成元素对应的能量，利用形成焓计算公式，计算其形成焓，分析其热力学稳定性；
c.绘制电荷密度图、分波态密度图、能带结构图，分析其内部电子结构特征，分析内部组分与电子性质间的构效关系；
d.光学性质分析，绘制尖晶石型...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬艳，孙世能，李端阳，宁园，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21