CN111063400B - 一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法。所述方法为选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化并计算光学性质；以光学响应区间为主要依据筛选功能基元，构造碳基功能材料；通过调节组成和比例，优化稳定性和光学性质，获得太阳光谱全吸收的碳基功能材料。本发明为实验研究提供功能基元和序构等信息，避免大量试错实验造成的成本损失，可应用于光催化、太阳能电池、光热材料、光蒸发水、超黑材料等与光吸收相关的研究和应用领域，以及与精密光学设备、感知等相关的航空航天领域。

Description

一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法

技术领域

本发明涉及功能材料设计技术领域，是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法。

背景技术

以石墨烯为代表的碳材料具有优异的物理和化学性质。以碳材料作为基底，以金属、非金属、氧化物等作为负载，可制备出具有特殊形貌和性能的碳基功能材料，已广泛的应用于光学成像、清洁能源、储能、电极材料、海水淡化、催化、环境应急、防腐涂料、结构材料、精密制造、深空深海探测等领域，发挥了巨大的作用。

为了获得具有特殊光学性质的碳基功能材料，选择合适的负载，优化界面性质，是实现较高的性能的关键。深入理解材料的结构和微观机理并以此来指导材料体系的设计，是近年来发展起来的一种有效的设计策略。然而，目前对碳材料和负载材料的微观结构、性质和光学性能产生机理的理论研究还不够深入，尤其是碳材料与负载材料之间的相互作用尚不清楚，导致碳基功能材料的设计缺乏理论指导，针对性不强。常规的碳基功能材料的开发只能依靠大量的试错实验，成本过高，效率低下。因此，开发高效的碳基复合材料的精准设计方法，是目前需要解决的关键。

受到实验条件和成本的约束，目前碳基功能材料的制备多以先设计制备、再表征性能的方式，使得设计缺乏指导、制备缺乏定向、性能无法预判。

发明内容

本发明为根据各个功能基元的光学响应区间，选取合适的功能基元，使其光学响应区间的覆盖范围最大化，本发明提供了一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，本发明提供了以下技术方案：

一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化；

步骤2：计算能带、太密度、差分电荷、介电函数，计算光学响应区间和响应强度；

步骤3：筛选出光学响应区间宽的功能基元；根据光学性能筛选基元，构造碳基功能材料；设定组成和比例，生成结构，对结构进行优化，计算结合能；

步骤4：对结合能的稳定性进行判断，当不稳定时，则返回步骤3；当满足稳定性时，计算光学性质；

步骤5：对光学性质进行计算，并进行性能判断，当性能不满足时，返回步骤3，当性能满足时，则收集组成、结构和活性信息。

优选地，所述步骤1具体为：

步骤1.1：采用Materials Studio软件包中Materials Project晶体结构库中的晶胞信息构建出碳材料和负载材料基元晶胞模型，并保存为CIF文件；

步骤1.2：:采用VESTA软件将CIF文件构造为输入文件POSCAR；

步骤1.3：根据碳材料和负载材料基元晶胞模型中的元素组成，选取相应的泛函和基组，构造POTCAR文件，对ENCUT、EFIFF和K点进行优化，构造INCAR和KPINTS文件。

优选地，所述步骤2具体为:

步骤2.1：利用VASP软件包进行自洽单点能计算，得到CHGCAR文件，通过vaspkit程序303功能确定不同温度下材料基元的晶体模型的高对称点，得到能带计算的KPOINTS文件；进行非自洽计算得到能带结构，使用Origin将计算结束后得到的BAND.dat和KLABELS进行处理得到能带图；

步骤2.2：增加K点数目，至少包含4个K点，对K点进行态密度计算，将计算得到的vasprun.xml文件导出，使用p4vasp或Origin进行处理，得到不同温度下材料基元的态密度图；

步骤2.3：进行自洽计算，在INCAR设置光学性质计算参数，使得IBRION＝8,LEPSILOW＝.TRUE.,LRPA＝.FALS.,在得到的OUTCAR文件里提取介电常数的实部和虚部，计算得到吸收系数α和反射率R，评估不同温度下各种材料基元的光学性质；

步骤2.4：利用VASP软件得到的晶体结构文件、对称操作文件以及能量本征值文件，采用基于半经典玻尔兹曼理论的BoltzTraP软件计算，得到Seebeck系数随温度的变化曲线以及电导率、热导率与弛豫时间的比值。

优选地，所述步骤3具体为：

选择负载材料基元，使负载材料基元光学响应区间的直接线性组合最大化的覆盖整个太阳光谱，且强度最高；

采用遗传算法给出一组功能基元的组成比例，构造碳基功能材料的结构模型；

采用第一性原理计算优化结构，通过下公式计算结合能：

E_binding＝E_total-E_c-∑E_i (1)

其中，E_binding是碳基复合材料中各个组成部分的结合能，E_total是碳基复合材料的总能量，E_c是碳材料的能量，E_i是负载材料的能量，所有能量的单位为eV。

优选地，所述步骤4具体为：当碳基复合材料中各个组成部分的结合能小于0时，表明当前结构稳定；当碳基复合材料中各个组成部分的结合能大于0时，表明当前结构不稳定，应放弃选择，当不稳定时，则返回步骤3。

优选地，所述步骤5具体为：

步骤5.1：计算反射率、折射率、吸收系数、消光系数和质量损失函数，通过如下公式计算反射率、折射率、吸收系数、消光系数和质量损失函数；

其中，R(ω)为反射率，n(ω)为折射率，α为吸收系数，κ为消光系数，L(ω)为质量损失函数，ε₁(ω)为介电函数实部，ε₂(ω)为介电函数虚部，ω为频率；

步骤5.2：计算吸收率，吸收率等于1减反射率，选取吸收率达到95％以上的碳基复合材料，并收集组成、结构和活性信息，当吸收率未达到95％，不满足性能需求，返回步骤3。

本发明具有以下有益效果：

本发明选择合适的功能基元作为负载是设计碳基功能材料的第一步。基于第一性原理，对金属、金属氧化物、非金属和非金属氧化物等可能的负载材料进行研究，确定其光学响应区间，根据各个功能基元的光学响应区间，选取合适的功能基元，使其光学响应区间的覆盖范围最大化，以此作为碳基功能材料的组成。

基于给定的组成，通过优化其比例和结构来调整界面性质，提升其性能。采用遗传算法，基于初始给定的比例和结构，生成不同比例或结构的子代，再用第一性原理计算光学性质。

本发明提供了一种具有特定光学性能的碳基功能材料的设计方法和流程，为实验研究提供功能基元和序构等信息，避免大量试错实验造成的成本损失。

附图说明

图1是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化；

所述步骤1具体为：

步骤1.1：采用Materials Studio软件包中Materials Project晶体结构库中的晶胞信息构建出碳材料和负载材料基元晶胞模型，并保存为CIF文件；

步骤1.2：:采用VESTA软件将CIF文件构造为输入文件POSCAR；

步骤1.3：根据碳材料和负载材料基元晶胞模型中的元素组成，选取相应的泛函和基组，构造POTCAR文件，对ENCUT、EFIFF和K点进行优化，构造INCAR和KPINTS文件。

步骤2：计算能带、太密度、差分电荷、介电函数，计算光学响应区间和响应强度；

所述步骤2具体为:

步骤2.1：利用VASP软件包进行自洽单点能计算，得到CHGCAR文件，通过vaspkit程序303功能确定不同温度下材料基元的晶体模型的高对称点，得到能带计算的KPOINTS文件；进行非自洽计算得到能带结构，使用Origin将计算结束后得到的BAND.dat和KLABELS进行处理得到能带图；

步骤2.2：增加K点数目，至少包含4个K点，对K点进行态密度计算，将计算得到的vasprun.xml文件导出，使用p4vasp或Origin进行处理，得到不同温度下材料基元的态密度图；

步骤2.3：进行自洽计算，在INCAR设置光学性质计算参数，使得IBRION＝8,LEPSILOW＝.TRUE.,LRPA＝.FALS.,在得到的OUTCAR文件里提取介电常数的实部和虚部，计算得到吸收系数α和反射率R，评估不同温度下各种材料基元的光学性质；

步骤2.4：利用VASP软件得到的晶体结构文件、对称操作文件以及能量本征值文件，采用基于半经典玻尔兹曼理论的BoltzTraP软件计算，得到Seebeck系数随温度的变化曲线以及电导率、热导率与弛豫时间的比值。

步骤3：筛选出光学响应区间宽的功能基元；根据光学性能筛选基元，构造碳基功能材料，设定组成和比例，生成结构，对结构进行优化，计算结合能；

所述步骤3具体为：

选择负载材料基元，使负载材料基元光学响应区间的直接线性组合最大化的覆盖整个太阳光谱，且强度最高；

采用遗传算法给出一组功能基元的组成比例，构造碳基功能材料的结构模型；

采用第一性原理计算优化结构，通过下公式计算结合能：

E_binding＝E_total-E_c-∑E_i (1)

其中，E_binding是碳基复合材料中各个组成部分的结合能，E_total是碳基复合材料的总能量，E_c是碳材料的能量，E_i是负载材料的能量，所有能量的单位为eV。

步骤4：对结合能的稳定性进行判断，当不稳定时，则返回步骤3；当满足稳定性时，计算光学性质；

所述步骤4具体为：当碳基复合材料中各个组成部分的结合能小于0时，表明当前结构稳定；当碳基复合材料中各个组成部分的结合能大于0时，表明当前结构不稳定，应放弃选择，当不稳定时，则返回步骤3。

步骤5：对光学性质进行计算，并进行性能判断，当性能不满足时，返回步骤3，当性能满足时，则收集组成、结构和活性信息。

所述步骤5具体为：

步骤5.1：计算反射率、折射率、吸收系数、消光系数和质量损失函数，通过如下公式计算反射率、折射率、吸收系数、消光系数和质量损失函数；

其中，R(ω)为反射率，n(ω)为折射率，α为吸收系数，κ为消光系数，L(ω)为质量损失函数，ε₁(ω)为介电函数实部，ε₂(ω)为介电函数虚部，ω为频率；

步骤5.2：计算吸收率，吸收率等于1减反射率，选取吸收率达到95％以上的碳基复合材料，并收集组成、结构和活性信息，当吸收率未达到95％，不满足性能需求，返回步骤3。

以上所述仅是一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法的优选实施方式，一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：选择碳材料和负载材料基元，构建碳材料和负载材料基元的结构模型，对结构模型进行优化；

所述步骤1具体为：

步骤1.1：采用Materials Studio软件包中Materials Project晶体结构库中的晶胞信息构建出碳材料和负载材料基元晶胞模型，并保存为CIF文件；

步骤1.2：采用VESTA软件将CIF文件构造为输入文件POSCAR；

步骤1.3：根据碳材料和负载材料基元晶胞模型中的元素组成，选取相应的泛函和基组，构造POTCAR文件，对ENCUT、EFIFF和K点进行优化，构造INCAR和KPINTS文件；

步骤2：计算碳材料和负载材料基元的能带、态密度和介电函数；

所述步骤2具体为:

步骤2.1：利用VASP软件包进行自洽单点能计算，得到CHGCAR文件，通过vaspkit程序303功能确定不同温度下材料基元的晶体模型的高对称点，得到能带计算的KPOINTS文件；进行非自洽计算得到能带结构，使用Origin将计算结束后得到的BAND.dat和KLABELS进行处理得到能带图；

步骤2.2：增加K点数目，至少包含4个K点，对K点进行态密度计算，将计算得到的vasprun.xml文件导出，使用p4vasp或Origin进行处理，得到不同温度下材料基元的态密度图；

步骤2.3：进行自洽计算，在INCAR设置光学性质计算参数，使得IBRION＝8,LEPSILOW＝.TRUE.,LRPA＝.FALS.,在得到的OUTCAR文件里提取介电函数的实部和虚部，计算得到吸收系数α和反射率R，评估不同温度下各种材料基元的光学性质；

步骤2.4：利用VASP软件得到的晶体结构文件、对称操作文件以及能量本征值文件，采用基于半经典玻尔兹曼理论的BoltzTraP软件计算，得到Seebeck系数随温度的变化曲线以及电导率、热导率与弛豫时间的比值；

步骤3：筛选出光学响应区间宽的功能基元；根据光学性能筛选基元，构造碳基功能材料；设定组成和比例，生成结构，对结构进行优化，计算结合能；

所述步骤3具体为：

选择负载材料基元，使负载材料基元光学响应区间的直接线性组合最大化的覆盖整个太阳光谱，且强度最高；

采用遗传算法给出一组功能基元的组成比例，构造碳基功能材料的结构模型；

采用第一性原理计算优化结构，通过下公式计算结合能：

E_binding＝E_total-E_c-∑E_i (1)

其中，E_binding是碳基复合材料中各个组成部分的结合能，E_total是碳基复合材料的总能量，E_c是碳材料的能量，E_i是负载材料的能量，所有能量的单位为eV；

步骤4：对结合能的稳定性进行判断，当不稳定时，则返回步骤3；当满足稳定性时，计算光学性质；

步骤5：对光学性质进行计算，并进行性能判断，当性能不满足时，返回步骤3，当性能满足时，则收集组成、结构和活性信息。

2.根据权利要求1所述的一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，其特征是：所述步骤4具体为：当碳基复合材料中各个组成部分的结合能小于0时，表明当前结构稳定；当碳基复合材料中各个组成部分的结合能大于0时，表明当前结构不稳定，应放弃选择，当不稳定时，则返回步骤3。

3.根据权利要求1所述的一种太阳光谱全吸收碳基功能材料的设计方法，其特征是：所述步骤5具体为：

步骤5.1：计算反射率，通过如下公式计算反射率；

其中，R(ω)为反射率，ε₁(ω)为介电函数实部，ε₂(ω)为介电函数虚部，ω为频率；

步骤5.2：计算吸收率，吸收率等于1减反射率，选取吸收率达到95％以上的碳基复合材料，并收集组成、结构和活性信息，当吸收率未达到95％，不满足性能需求，返回步骤3。

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