CN110136782A - 一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属氧化物材料结构设计领域，具体涉及金属氧化物团簇结构模型的构造方法。所述构造方法包括：获取目标金属氧化物的特征参数；根据所述特征参数提取目标金属氧化物的团簇基本结构单元的构型；根据所述团簇基本结构单元的构型，选择并调整多面体拓扑结构组装模板，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建，得到所述金属氧化物团簇的基本构型；对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性，选取无结构错误和能量稳定的构型作为合理的金属氧化物团簇结构模型。本发明提出的金属氧化物团簇结构模型构造方法，从而减少模型构造的时间成本，提高构造效率和弥补大尺寸金属氧化物团簇结构模型的空缺。

Description

一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法
技术领域
本发明属于金属氧化物材料结构设计领域，具体涉及一种基于量子化学的金属氧化物团簇结构模型的构造方法。
背景技术
随着催化氧化、电子设备和传感器件等行业的迅猛发展，对金属氧化物团簇材料的要求也越来越高，金属氧化物团簇材料具有较好的催化和电子特性，特别是在醇类、烯烃和一氧化氮的置换方面具有关键作用，所以越来越多的金属氧化物团簇材料被应用到高精尖产品及其研发过程中。
氧化钨、氧化钛等团簇材料是主要的催化反应活性材料，负载在其他载体材料上形成的复合材料有较强的催化作用。量子化学模拟方法以其精确的电子分析和过程判断对所研究材料的结构和能量稳定性的优势，应用于被研究和加工金属及其氧化物材料的晶体和团簇等模型的建立过程中，材料模型的能量大小、电荷和电势分布、电子转移过程、原子间化学键的形成及断裂过程等方面的研究特性经常应用到量子化学模拟方法，该方面受到了越来越多的研究者们的重视和关注。
目前对于金属氧化物团簇的模型的技术方案主要集中在遗传算法搜索特定大小的团簇模型中的最低能量构型的方法，其具体过程，首先根据金属氧化物团簇结构预计原子数来产生一个三维空间中原子随机分布的初始构型，再利用量子化学方法来对整个构型进行优化，形成构型父代，然后一定的概率对构型进行调整，包括交叉选择、构型变异操作，从而生成多种新的子代构型，再经过结构优化，用子代构型优化后的能量和所有的构型的能量作对比，按照能量越小越好的规则进行优胜劣汰。通过比较结构能量差异来选择能量最低的结构作为最后结果的方式来确定金属氧化物团簇的构型。
基于量子化学的遗传算法搜索构建金属氧化物团簇结构的相关工作有较大的研究和进展，如ZnO、Al2O3、TiO2、V2O5、WO3，但该方法所需要的计算资源较大、所需时间周期较长，并且很难获得大尺寸的金属氧化物团簇结构模型。所以需要通过量子化学模拟和多面体拓扑结构组装构建的方法来实现金属氧化物团簇结构模型的建立。
然而，现有遗传算法搜索最低能量团簇构型的方法的缺点主要是大尺寸团簇构型的搜索困难那、所需要的计算资源巨大和搜索时间成本很高。该方法的效率主要受几个影响，分别是团簇构型中的原子数、量子化学方法结构优化的计算速度和优胜劣汰比较选择过程的精度。金属氧化物团簇构型中原子数增大，可能形成的构型数量呈级数增加，因此整个过程需要消耗大量的时间和计算资源；量子化学优化结构的计算速度与计算资源直接相关，提高结构优化速度需要大量计算资源的支撑；比较过程中的精度决定了整个搜索过程的长度，精度提高会延长整个搜索和比较过程，增加时间和计算资源成本。
综上，针对以上缺点，需要提供一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明提出一种金属氧化物团簇结构模型构造方法，所述方法建立金属氧化物团簇构型的基本结构单元，采用组装构建的方式减少团簇结构模型中局部原子间位置的不确定性，从而减少模型构造的时间成本，提高构造效率和弥补大尺寸金属氧化物团簇结构模型的空缺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，所述构造方法包括：
S1,获取目标金属氧化物的特征参数；
S2,根据所述特征参数提取目标金属氧化物的团簇基本结构单元的构型；
S3,根据所述团簇基本结构单元的构型，选择并调整多面体拓扑结构组装模板，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建，得到所述金属氧化物团簇的基本构型；
S4,对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性，选取无结构错误和能量稳定的构型作为合理的金属氧化物团簇结构模型。
进一步地，S4中对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性采用的是量子化学模拟软件。
进一步地，所述量子化学模拟软件为Materials Studio或VASP。
进一步地，所述结构错误的标准是键长大于0.3nm。
进一步地，S1中所述特征参数包括金属氧化物团簇中的元素种类、成分比例和金属元素的配位数。
进一步地，S2中确定团簇基本结构单元的构型的内容包括：根据金属氧化物的元素种类和成分比例确定团簇基本结构单元的构型。
进一步地，所述团簇基本结构单元的构型是以一个金属原子为中心、多个氧原子连接在金属原子上的方式形成的棱锥或柱体结构，起组装连接作用的氧原子和金属原子间的是化学单键，其他氧原子和金属原子间的是化学双键，金属原子之间不存在化学键连接，单一金属原子上连接的化学键不超过其最大的成键范围。
进一步地，单个所述金属原子的最大成键范围由原子本身的最外层电子数及其排布方式决定的；如：Al金属原子，最外层电子数为3个，这3个电子分别排布在最外层d层的三个轨道上，因此，Al金属原子与氧原子最多能组成3个化学键(3个单键或1个双键和1个单键)。
进一步地，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建的内容具体包括：将金属原子位置设置在多面体拓扑结构构型顶点处，单键连接的氧原子用来连接两个相邻的基本结构单元，依次将基本结构单元放在多面体拓扑结构顶点处进行组装连接，得到所述金属氧化物团簇的基本构型。
进一步地，所述多面体拓扑结构为凸面多面体拓扑结构，顶点和棱边数的比例根据所述团簇基本结构单元来进行调整和选择，对称性较高的多面体拓扑结构相对容易调整和满足需求。
进一步地，所述多面体拓扑结构中顶点和棱边数的比例与所述团簇基本结构单元中金属原子和单键氧原子的原子比例相同。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法的信息处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法。
本发明具有如下有益技术效果：
(1)将现有的原子级别组合形成的构型搜索过程转化为团簇基本结构单元的组合构建过程，大幅缩小了构型可能性范围，提高了团簇结构模型构建效率。
(2)利用多面体拓扑结构结构和金属氧化物团簇在拓扑结构上的相似性来作为基本结构单元的组装模板进行团簇结构模型构建，缩小了团簇结构模型的确定范围。
(3)提高了团簇构型可构建的尺寸范围，弥补了目前大尺寸金属氧化物团簇的构型缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例中一种金属氧化物团簇构造方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1中V2O5团簇的基本结构单元的结构示意图。
图3a为本发明实施例1、2中正四面体结构示意图。
图3b为本发明实施例1、2中正六面体结构示意图。
图3c为本发明实施例1、2中正六面体结构示意图。
图4a为本发明实施例1中V2O5团簇结构为(V2O5)4的结构示意图。
图4b为本发明实施例1中V2O5团簇结构为(V2O5)8的结构示意图。
图4c为本发明实施例1中V2O5团簇结构为(V2O5)12的结构示意图。
图5为本发明实施例2中Al2O3团簇的基本结构单元的结构示意图。
图6a为本发明实施例2中Al2O3团簇结构为(Al2O3)4的结构示意图。
图6b为本发明实施例2中Al2O3团簇结构为(Al2O3)8的结构示意图。
图6c为本发明实施例2中Al2O3团簇结构为(Al2O3)12的结构示意图。
图7为本发明实施例3中WO3团簇的基本结构单元的结构示意图。
图8a为本发明实施例3中正八面体结构示意图。
图8b为本发明实施例3中截半立方体结构示意图。
图8c为本发明实施例3中截半二十面体结构示意图。
图9a为本发明实施例3中WO3团簇结构为(WO3)6的结构示意图。
图9b为本发明实施例3中WO3团簇结构为(WO3)12的结构示意图。
图9c为本发明实施例3中WO3团簇结构为(WO3)30的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效教学方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，所述构造方法包括：
S1,获取目标金属氧化物的特征参数；
S2,根据所述特征参数提取目标金属氧化物的团簇基本结构单元的构型；
S3,根据所述团簇基本结构单元的构型，选择并调整多面体拓扑结构组装模板，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建，得到所述金属氧化物团簇的基本构型；
S4,对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性，选取无结构错误和能量稳定的构型作为合理的金属氧化物团簇结构模型。
S4中对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性采用的是量子化学模拟软件。
所述结构错误的标准是键长大于0.3nm。
S1中所述特征参数包括金属氧化物团簇中的元素种类、成分比例和金属元素的配位数。
S2中确定团簇基本结构单元的构型的内容包括：根据金属氧化物的元素种类和成分比例确定团簇基本结构单元的构型。
所述团簇基本结构单元的构型是以一个金属原子为中心、多个氧原子连接在金属原子上的方式形成的棱锥或柱体结构，起组装连接作用的氧原子和金属原子间的是化学单键，其他氧原子和金属原子间的是化学双键，金属原子之间不存在化学键连接，单一金属原子上连接的化学键不超过其最大的成键范围。
单个所述金属原子的最大成键范围由原子本身的最外层电子数及其排布方式决定的；如：Al金属原子，最外层电子数为3个，这3个电子分别排布在最外层d层的三个轨道上，因此，Al金属原子与氧原子最多能组成3个化学键(3个单键或1个双键和1个单键)。
将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建的内容具体包括：将金属原子位置设置在多面体拓扑结构构型顶点处，单键连接的氧原子用来连接两个相邻的基本结构单元，依次将基本结构单元放在多面体拓扑结构顶点处进行组装连接，得到所述金属氧化物团簇的基本构型。
所述多面体拓扑结构为凸面多面体拓扑结构，顶点和棱边数的比例根据所述团簇基本结构单元来进行调整和选择，对称性较高的多面体拓扑结构相对容易调整和满足需求。
所述多面体拓扑结构中顶点和棱边数的比例与所述团簇基本结构单元中金属原子和单键氧原子的原子比例相同。
实施例1
根据本实施例提供的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法进行V2O5团簇的建模过程：
1-1，钒元素是5配位的金属，金属氧化物V2O5团簇基本结构单元是V(＝O)1(-O-)3/2(如图2所示)；则所需的多面体拓扑结构的顶点与边棱数的比例最好是2/3。
1-2，选择的多面体拓扑结构是正四面体、正六面体、正十二面体，此三种多面体拓扑结构的顶点与边棱比例是1/3，不需要对多面体拓扑结构进行调整。
1-3，将V2O5团簇基本结构单元放在顶点处，用桥键氧原子连接基本结构单元；获得正四面体、正六面体、正十二面体的三个V2O5团簇的基本构型(如图3a、3b和3c所示)。
1-4，采用基于第一性原理的DMol3对基本构型进行结构优化，收敛精度为max.force≤3.67×10-4,max.displacement≤5.0×10-4,能量小于等于5.0×10-6Ha。SCF收敛精度为1.0×10-8，得到三种团簇结构模型(V2O5)4，(V2O5)8，(V2O5)12，结构如图4a、4b和4c所示。
实施例2
根据本实施例提供的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法进行Al2O3团簇的建模过程：
2-1，铝元素是3配位的金属，金属氧化物Al2O3团簇基本结构单元是Al(-O-)3/2(如图5所示)；则所需的多面体拓扑结构的顶点与边棱数的比例最好是2/3。
2-2，选择的多面体拓扑结构是正四面体、正六面体、正十二面体，此三种多面体拓扑结构的顶点与边棱比例是1/3，不需要对多面体拓扑结构进行调整。
2-3，将基本结构单元放在顶点处，用桥键氧原子连接基本结构单元。获得正四面体、正六面体、正十二面体的三个Al2O3团簇的基本结构(如图3a、3b和3c所示)。
2-4，采用基于第一性原理的DMol3进行结构优化，收敛精度为max.force≤3.67×10-4,max.displacement≤5.0×10-4,能量小于等于5.0×10-6Ha。SCF收敛精度为1.0×10-8，得到三种团簇结构模型(Al2O3)4，(Al2O3)8，(Al2O3)12，结构如图6a、6b和6c所示。
实施例3
根据本实施例提供的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法进行WO3团簇的建模过程：
3-1，钨元素是6配位的金属，金属氧化物WO3团簇基本结构单元是W(＝O)1(-O-)4/2(如图7所示)。所需的多面体拓扑结构的顶点与边棱数的比例最好是1/2。
3-2，选择的多面体拓扑结构是正八面体、截半立方体、截半二十面体，如图8a、8b和8c所示，此三种多面体拓扑结构的顶点与边棱比例是1/2，不需要对多面体拓扑结构进行调整。
3-3，将基本结构单元放在顶点处，用桥键氧原子连接基本结构单元。获得正八面体、截半立方体、截半二十面体的三个WO3团簇的基本结构。
3-4，采用基于第一性原理的DMol3进行结构优化，收敛精度为max.force≤3.67×10-4,max.displacement≤5.0×10-4,能量小于等于5.0×10-6Ha。SCF收敛精度为1.0×10-8，得到三种团簇结构模型(WO3)6、(WO3)12、(WO3)30，结构如图9a、9b和9c所示。

Claims (10)

1.一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，所述构造方法包括：
S1,获取目标金属氧化物的特征参数；
S2,根据所述特征参数提取目标金属氧化物的团簇基本结构单元的构型；
S3,根据所述团簇基本结构单元的构型，选择并调整多面体拓扑结构组装模板，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建，得到所述金属氧化物团簇的基本构型；
S4,对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性，选取无结构错误和能量稳定的构型作为合理的金属氧化物团簇结构模型。
2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，所述S4中对所述基本构型进行结构优化并分析判断结构的稳定性采用的是量子化学模拟软件。
3.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，所述结构错误的标准是键长大于0.3nm。
4.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，S1中所述特征参数包括金属氧化物团簇中的元素种类和成分比例。
5.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，所述团簇基本结构单元的构型是以一个金属原子为中心、多个氧原子连接在金属原子上的方式形成的棱锥或柱体结构。
6.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，将所述团簇基本结构单元在多面体拓扑结构组装模板结构上进行组装构建的内容具体包括：将金属原子位置设置在多面体拓扑结构构型顶点处，单键连接的氧原子用来连接两个相邻的基本结构单元，依次将基本结构单元放在多面体拓扑结构顶点处进行组装连接，得到所述金属氧化物团簇的基本构型。
7.根据权利要求1所述的一种金属氧化物团簇结构模型的构造方法，其特征在于，所述多面体拓扑结构为凸面多面体拓扑结构，顶点和棱边数的比例根据所述团簇基本结构单元来进行调整和选择，对称性较高的多面体拓扑结构相对容易调整和满足需求。
8.一种实现如权利要求1-7任一项所述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法的计算机程序。
9.一种实现如权利要求1-7任一项所述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法的信息处理终端。
10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-7任一项所述的金属氧化物团簇结构模型的构造方法。
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