一种提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，包括：构建纯氧化镁固体表面模型及复合材料表面模型；进行密度泛函理论计算，确定稳定点界面结构；构建固体水分子吸附/分解构型；构建复合材料水分子吸附/分解构型，并进行分别弛豫，计算吸附能和分解吸附能；计算得出吸附与裂解过程中的电荷布局、电荷转移、平面平均电位和反应势能曲线，并计算得出动力学可行性；确定反应路径和反应活化能垒。本发明专利技术成功构建氧化镁纳米结构表面的水分子裂解结构，通过量子化学计算软件模拟，确定提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算反应路径和反应活化能垒，并可以发现所构建模型对于水分子具有良好的吸附裂解能力。模型对于水分子具有良好的吸附裂解能力。模型对于水分子具有良好的吸附裂解能力。

【技术实现步骤摘要】
一种提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法


[0001]本专利技术涉及计算化学
，更具体地说，涉及一种提高氧化镁纳米 结构表面水分解性能的计算方法。

技术介绍

[0002]氧化镁作为一种典型的rock
‑
salt结构的离子晶体，可以为研究复杂氧 化物构效关系提供范例和借鉴。金属氧化物浸于水中形成的固体
‑
液体界面 上的吸附和化学反应对于地下水污染物传递、电极过程、腐蚀过程和催化反 应都有重要意义。
[0003]Giordanos等人基于梯度校正局域密度近似的从头算方法模拟发现了(3
ꢀ×
2)一层水在氧化镁(100)表面的吸附和部分分解行为，这是在理论上首次 发现水分子在完美氧化镁(100)表面可以发生分解(已被实验证实)。
[0004]氧化镁等金属氧化物是自然界中岩石、土壤和气载尘埃的重要成分，水 分子在氧化镁表面的吸附与分解行为仍然需要很多更加深入的研究。现有 的计算方法中，氧化镁表面分解路径被认为是一步分解，存在较大的活化能 垒，氧化镁表面水分解性能较低。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计 算方法，包括：构建纯氧化镁固体表面模型及复合材料表面模型；对所述复 合材料表面模型进行密度泛函理论计算，确定所述复合材料表面模型中的 稳定点界面结构；基于所述纯氧化镁固体表面模型，构建固体水分子吸附/ 分解构型；基于所述复合材料表面模型的所述稳定点界面结构，构建与所述 固体水分子吸附/分解构型对应的复合材料水分子吸附/分解构型，并针对所 述复合材料水分子吸附/分解构型进行分别结构弛豫，计算水分子在 MgO/Ag复合材料表面的吸附能和分解吸附能；根据所述复合材料水分子吸 附/分解构型，计算得出吸附与裂解过程中的电荷布局、电荷转移、平面平 均电位和反应势能曲线，并根据所述反应势能曲线计算得出水分子在 MgO/Ag复合材料表面的吸附分解反应的动力学可行性；根据分子动力学计 算，确定提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算反应路径和反应活化 能垒。
[0006]优选地，所述构建纯氧化镁固体表面模型及复合材料表面模型，包括： 利用Visual Molecular Dynamics软件构建所述纯氧化镁固体表面模型和所 述复合材料表面模型。
[0007]优选地，所述复合材料表面模型的构建包括：沿着氧化镁表面构造四层 银原子，以代表银衬底；固定底部的两个银层后，使用其来模拟银层的体积 特征；其中，构建所述复合材料表面模型的超晶胞时，使用 相同的晶格参数且沿着[0
ꢀ‑
1 1]和[0 1 1]晶胞基 矢来进行晶胞的构建；
[0008]优选地，所述复合材料表面模型的模拟固体的Ag
‑
Ag键长为
[0009]优选地，所述对所述复合材料表面模型进行密度泛函理论计算，确定所 述复合材
料表面模型中的稳定点界面结构包括：
[0010]针对于所述复合材料表面模型，采用范德瓦尔斯密度泛函理论和维也 纳从头算模拟软件包中实现的平面波方法计算得出结构能量和电子性质， 确定所述稳定点界面结构；
[0011]优选地，所述确定所述稳定点界面结构还包括：将用于色散校正的二重 实空间积分转换为倒空间；采用广义梯度近似与投影增强波方法相结合，来 确定色散力和能量。
[0012]优选地，所述确定所述复合材料表面模型中的稳定点界面结构之后，还 包括：利用维也纳从头算模拟软件包先执行静态计算，得到波函数输出文件 和CHG文件；并将所述波函数输出文件和所述CHG文件执行态密度计算， 得到态密度计算结果；利用P4VASP软件对所述态密度计算结果进行分析。
[0013]优选地，所述基于所述纯氧化镁固体表面模型，构建固体水分子吸附/ 分解构型，包括：基于所述纯氧化镁固体表面模型，计算水分子在纯氧化镁 上的吸附能与分解吸附能，得到吸附分解反应位点，构建所述固体水分子吸 附/分解构型；基于所述固体水分子吸附/分解构型利用VTST程序计算分解 反应活化能垒及反应路径，判断氧化镁固体表面反应活性高低。
[0014]优选地，所述基于所述复合材料表面模型的所述稳定点界面结构，构建 与所述固体水分子吸附/分解构型对应的复合材料水分子吸附/分解构型，并 针对所述复合材料水分子吸附/分解构型进行分别结构弛豫，计算水分子在 MgO/Ag复合材料表面的吸附能和分解吸附能，包括：
[0015]将所述固体水分子吸附/分解构型转移到MgO/Ag复合材料表面，构建 复合材料水分子吸附/分解构型；获取典型模型，利用Vienna Ab InitioSimulation Package程序对所述典型模型进行结构弛豫，得到所述复合材料 水分子吸附/分解构型的能量最低模型；其中，所述典型模型包含所述固体 水分子吸附/分解构型；基于所述复合材料水分子吸附/分解构型的结构与能 量，计算水分子在MgO/Ag复合材料表面的所述吸附能与所述分解吸附能， 以便于得到最有利的吸附与分解结构；利用VESTA软件对所述所述最有利 的吸附与分解结构进行吸附质分子的几何结构分析；基于所述复合材料水 分子吸附/分解构型，利用pos2xyz.pl程序得到笛卡尔坐标，并计算表面褶 皱数值。
[0016]优选地，所述吸附能为孤立分子和MgO/Ag复合表面的总能量与化学 吸附的分子/表面系统能量的差值；优选地，所述吸附能E
ad
的计算方法为：
[0017]E
ad
＝(E
surf
+E
iso
)
‑
E
chemisorb
；其中，E
iso
为所述孤立分子的能量； E
surf
为MgO/Ag复合表面的能量；E
chemisorb
为化学吸附的分子/表面系统能 量。
[0018]优选地，所述根据所述复合材料水分子吸附/分解构型，计算得出吸附 与裂解过程中的电荷布局、电荷转移、平面平均电位和反应势能曲线，并根 据所述反应势能曲线计算得出水分子在MgO/Ag复合材料表面的吸附分解 反应的动力学可行性，包括：
[0019]利用Visual Molecular Dynamics量子化学软件与VTST程序分析所述 复合材料水分子吸附/分解构型下的微分电荷密度和所述电荷布局，并根据 所述微分电荷密度和所述电荷布局得出吸附于裂解过程中电荷的所述电荷 转移；
[0020]通过vtotav程序表征所述复合材料水分子吸附/分解构型下的吸附分解 状态的MgO/Ag纳米结构电荷状态，并根据所述MgO/Ag纳米结构电荷状 态得出吸附与裂解过程中
所述平面平均电位；
[0021]通过VTST程序计算模拟水分子在MgO/Ag的分解路径及过渡态，确 定所述反应势能曲线，并根据所述反应势能曲线得出水分子在MgO/Ag复 合材料表面的吸附分解反应的所述动力学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，包括：构建纯氧化镁固体表面模型及复合材料表面模型；对所述复合材料表面模型进行密度泛函理论计算，确定所述复合材料表面模型中的稳定点界面结构；基于所述纯氧化镁固体表面模型，构建固体水分子吸附/分解构型；基于所述复合材料表面模型的所述稳定点界面结构，构建与所述固体水分子吸附/分解构型对应的复合材料水分子吸附/分解构型，并针对所述复合材料水分子吸附/分解构型进行分别结构弛豫，计算水分子在MgO/Ag复合材料表面的吸附能和分解吸附能；根据所述复合材料水分子吸附/分解构型，计算得出吸附与裂解过程中的电荷布局、电荷转移、平面平均电位和反应势能曲线，并根据所述反应势能曲线计算得出水分子在MgO/Ag复合材料表面的吸附分解反应的动力学可行性；根据分子动力学计算，确定提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算反应路径和反应活化能垒。2.如权利要求1所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述构建纯氧化镁固体表面模型及复合材料表面模型，包括：利用Visual Molecular Dynamics软件构建所述纯氧化镁固体表面模型和所述复合材料表面模型。3.如权利要求2所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述复合材料表面模型的构建包括：沿着氧化镁表面构造四层银原子，以代表银衬底；固定底部的两个银层后，使用其来模拟银层的体积特征；其中，构建所述复合材料表面模型的超晶胞时，使用相同的晶格参数且沿着[0
ꢀ‑
1 1]和[0 1 1]晶胞基矢来进行晶胞的构建；优选地，所述复合材料表面模型的模拟固体的Ag
‑
Ag键长为4.如权利要求1所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述对所述复合材料表面模型进行密度泛函理论计算，确定所述复合材料表面模型中的稳定点界面结构包括：针对于所述复合材料表面模型，采用范德瓦尔斯密度泛函理论和维也纳从头算模拟软件包中实现的平面波方法计算得出结构能量和电子性质，确定所述稳定点界面结构。5.如权利要求4所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述确定所述稳定点界面结构还包括：将用于色散校正的二重实空间积分转换为倒空间；采用广义梯度近似与投影增强波方法相结合，来确定色散力和能量。6.如权利要求1所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述确定所述复合材料表面模型中的稳定点界面结构之后，还包括：利用维也纳从头算模拟软件包先执行静态计算，得到波函数输出文件和CHG文件；并将所述波函数输出文件和所述CHG文件执行态密度计算，得到态密度计算结果；利用P4VASP软件对所述态密度计算结果进行分析。
7.如权利要求1所述提高氧化镁纳米结构表面水分解性能的计算方法，其特征在于，所述基于所述纯氧化镁固体表面模型，构建固体水分子吸附/分解构型，包括：基于所述纯氧化镁固体表面模型，计算水分子在纯氧化镁上的吸附能与分解吸附能，得到吸附分解反应位点，构建所述固体水分子吸附/分解构型；...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋振军，李宏道，黄剑，陈卫，尹波，洪志，
申请(专利权)人：公元股份有限公司，
类型：发明
国别省市：