CN111326219A - 一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于催化剂材料的设计与开发研究技术领域的一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法。所述方法包括首先计算得到材料的晶体的稳定结构数据文件和不同温度下的结构数据文件；然后利用热变形率与相分离率两个参数的计算公式定量描述材料相分离程度。本发明所述方法借助第一原理计算，即可快速有效的定量表示出氧化铈的单元掺杂或二元掺杂材料的相分离率和热稳定性，从而降低实验寻找合适催化材料操作的复杂性，缩短新材料的研发周期和节约成本。
Description
技术领域
本发明属于催化剂材料的设计与开发研究技术领域，尤其涉及一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法。
背景技术
随着交通事业的发展，世界汽车的拥有量正在急剧增加。人类在享受汽车给自身带来无限便利与快捷的同时，也面临前所未有的汽车尾气污染问题。当前，我国机动车污染问题日益突出，截止2019年6月份，全国机动车保有量达到3.4亿辆，尾气排放已成为我国空气污染的重要来源，是造成雾霾、光化学烟雾污染的主要原因。以三效催化剂为核心的汽车尾气转化器是目前汽车工业普遍采用的汽车尾气净化装置。其中稀土氧化物尤其是氧化铈因其较好的储放氧性能已成为汽车尾气净化催化剂助剂的主要组成部分。
铈是一种独特的稀土元素，它具有Ce3+和Ce4+两种可变的价态。CeO2通常以四价的CeO2和三价的Ce2O3两种价态存在。三价的Ce2O3具有六方相晶体结构，CeO2具有面心立方萤石结构，是最早使用的稀土储氧材料，其中具有八配位的Ce4+占据了面心立方格子的各个顶点，O2-处于Ce4+周围的四面体间隙中。氧化铈可以提高载体、涂层及负载组分的稳定性，有助于贵金属在表面的均匀分散，提高活性组分的利用率及阻止因Al2O3烧结而造成的聚集和相转变，因此氧化铈成为三效催化剂的重要组成部分。氧化铈因能快速地进行氧化还原循环而被认为具有独特的储放氧能力而在催化反应中有着广泛的应用，在汽车尾气净化的三效催化中起着不可或缺的作用。
纯氧化铈储氧体系的最大缺点是热稳定性差和低温储放氧性能差。这是因为氧化铈的储放氧性能与氧空位数量、氧空位活动性及比表面积有很大关系，比表面积越大储放氧性能越好。单纯的氧化铈颗粒经过高温，尤其是高于900℃老化后会发生烧结，晶粒迅速长大，比表面积大幅度下降，导致储放氧性能降低。现有技术中，常采用单元掺杂或多元掺杂的方式，克服上述缺点。但是掺杂元素的种类以及掺杂量对复合材料的性质有很大程度的影响。这是由于催化材料工作温度最高可达到600摄氏度，长期在此温度下工作，掺杂材料中的某些元素会随之发生偏聚。偏聚行为将会直接导致材料的不均匀性，热变形率不同导致材料的破裂、剥落，性能受到大幅影响。如何在维持复合材料的优良催化性能的前提下，改善其不均匀性这一问题至关重要，所以亟需设定一种定量描述参数与方法从理论上评估材料不均匀性，准确地描述相分离的程度、发生温度等，以节省实验时间以及人力物力等资源，快速找出准确可行的改善方向。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法，
1)计算得到材料的晶体的稳定结构数据文件和不同温度下的结构数据文件；
2)利用热变形率与相分离率两个参数的计算公式定量描述材料相分离程度；
a)定义参数热变形率TDR，其计算公式为：
其中，
是某一原子在T K温度计算后对应的xyz轴坐标，
是该原子在温度为0K时对应的xyz轴坐标，d0是0K时该原子与氧原子的间距；
b)定义参数相分离率PSD，其计算公式为：
其中，
和
是温度为t时，计算得到的相同原子A的间距，以及不同原子A和B的间距；d0表示温度为0K时的原子间距。
一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法，还包括晶体的稳定结构数据文件CONTCAR和不同温度下的结构数据文件CONTCAR的计算方法。
晶体的稳定结构数据文件的计算方法包括以下步骤：
1)构建材料的晶体结构模型，基于不同晶面截取超晶胞，分别建立具有不同顶层的真空层结构模型；
2)对各个真空层结构模型进行优化，得到晶体的稳定结构数据文件。
晶体不同温度下的结构数据文件的计算方法包括以下步骤：
3)对步骤2)完成优化的模型进行第一原理分子动力学升温计算，得到不同温度下的结构数据文件。
所述步骤2)中优化方法为：设置计算控制参数文件-INCAR、K点取样文件-KPOINTS、体系结构文件-POSCAR和赝势文件-POTCAR四个输入文件，利用原子尺度材料模拟的计算机程序包-VASP进行优化。
所述方法适用于铈基的单元或二元掺杂材料。
根据所述晶体的稳定结构数据文件，分析不同温度下晶体结构的晶格常数、原子间距，评估晶格的扭曲程度，判断材料的热稳定性；根据相分离率计算数据，判断不同温度下材料的均匀性。
本发明的有益效果在于：
1.本发明涉及一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法，根据本专利中提出的两个参数和相应的计算公式，可以直观地衡量铈基复合材料相分离的程度。利用该数据，可以在今后铈基单元素或二元掺杂材料中准确地评价材料的均匀性改善情况。
2.通过本发明所述方法计算定量描述材料相分离程度，能够有效直观的描述相分离造成材料不均匀性的程度。材料不均匀性对于薄膜材料而言，对其功能等各方面均有较大影响。借助第一原理计算，可快速尝试多种掺杂方式，获取两个参数的数值，即热变形率和相分离率，进而衡量材料热稳定性的改善程度，这样可大幅度地减少传统实验方法人力物力付出，提高研发效率。
3.本发明所述方法借助第一原理计算，即可快速有效的定量表示出氧化铈的单元素掺杂或二元掺杂材料的相分离率和热稳定性，从而降低实验寻找合适催化材料操作的复杂性，缩短新材料的研发周期和节约成本。
附图说明
图1-1为本发明实施例1中CeO2单晶胞的结构示意图。
图1-2为本发明实施例1中Ce0.5Zr0.5O2单晶胞的结构示意图。
图2-1为本发明实施例1中(010)面截出的Ce0.5Zr0.5O2的真空层结构示意图。
图2-2为本发明实施例1中(100)面截出的Ce0.5Zr0.5O2的真空层结构示意图。
图3为本发明实施例1中以(100)-M结构为例，计算得到的热变形率图。
图4为本发明实施例1中以(100)-M结构为例，计算得到的相分离率图。
图5为本发明实施例2中双掺杂Al-Zr后的(100)-M真空层结构示意图
图6为本发明实施例2中以双掺杂Al后的(100)-M结构为例，计算得到的相分离率图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：本发明基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法，采用的是基于密度泛函理论的第一原理计算程序VASP，VASP以及四个输入文件：计算控制参数文件-INCAR、K点取样文件-KPOINTS、体系结构文件-POSCAR和赝势文件-POTCAR以及多种输出文件如OUTCAR、CHG、CHGCAR、WAVECAR、DOSCAR、COUNTCAR、EIGENVAL、OSZICAR等，通过脚本程序或者辅助软件对输出数据进行处理，即可获取所需的各种结构数据。
实施例1
以Ce0.5Zr0.5O2为例，本实施例中选择的掺杂元素为Zr，基于第一原理计算结果定量描述材料相分离程度的方法，包括如下步骤：
1、构建CeO2的结构模型：利用Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块，构建CeO2的结构模型。如图1-1所示。
2、选择Zr原子作为替换Ce的掺杂元素，将Ce原子以50％的浓度梯度逐渐替换成Zr原子，得到如图1-2所示的Ce0.5Zr0.5O2单晶胞的结构示意图；
3、在(100)和(010)面截取超胞，建立具有不同顶层的Ce0.5Zr0.5O2真空层结构模型，如图2-1和2-2所示；
4、设置计算控制参数文件-INCAR、K点取样文件-KPOINTS、体系结构文件-POSCAR和赝势文件-POTCAR四个输入文件，利用原子尺度材料模拟的计算机程序包-VASP将步骤3中的不同顶层的Ce0.5Zr0.5O2真空层结构模型进行结构优化；
5、对步骤4建立的各个真空层结构模型进行优化，得到晶体的稳定结构数据文件(CONTCAR)；
6、对步骤5已完成结构优化的不同顶层的Ce0.5Zr0.5O2模型进行第一原理分子动力学升温计算，温度分别设置为0K,400K,600K,800K,1000K,1200K,1400K,1600K；
7、分析计算
1)根据步骤6中得到的晶体的稳定结构数据文件(CONTCAR)，得到的不同温度下结构的晶格常数、原子间距，评估晶格的扭曲程度，判断它的热稳定性；根据相分离率计算公式，可以判断某温度下材料均匀性；
2)定义参数一热变形率(TDR)，其计算公式为：
其中
是某一原子在T K温度计算后对应的xyz轴坐标，
是该原子在0K温度时对应的xyz轴坐标，d0是0K时Ce-O间距；
定义参数二相分离率(PSD)，其计算公式为：
其中
和
是某一温度下计算后得到的锆与锆原子间距，以及铈与锆原子间距。d0表示0K未进行升温计算时的原子间距。对于真空层结构而言，每一层Zr原子的变化幅度并不相同，因此需要分析每一层原子的相分离率，如图4所示；
3)根据上述结果绘制热变形率、相分离率随温度变化的图形；
根据晶体的稳定结构数据文件，分析不同温度下晶体结构的晶格常数、原子间距，评估晶格的扭曲程度，判断材料的热稳定性；根据相分离率计算数据，判断不同温度下材料的均匀性。
实施例2
以(100)-M结构为基础，增加Al双掺杂后的Ce0.5Zr0.4Al0.1O2为例，研究Al的加入对体系热稳定性的影响。温度选择为1600K，实施例1中的结算结果表明在1600K时已能够明显观察到体系结构变化，因此该温度足够高。本实施例中选择的掺杂元素为Al、Zr双掺杂组合方式，基于第一原理计算结果定量描述材料相分离程度的方法，包括如下步骤：
1、同实施例1中步骤1-步骤3，在建立的各种不同真空层结构基础上，以(100)-M为基础，选择一个Zr原子替换为Al原子，结构如图5所示；
2、设置计算控制参数文件-INCAR、K点取样文件-KPOINTS、体系结构文件-POSCAR和赝势文件-POTCAR四个输入文件，利用原子尺度材料模拟的计算机程序包-VASP将不同顶层的Ce0.5Zr0.4Al0.1O2真空层结构模型进行结构优化，得到晶体的稳定结构数据文件CONTCAR；
3、对步骤2已完成结构优化的Ce0.5Zr0.4Al0.1O2模型进行第一原理分子动力学升温计算，温度分别设置为1600K；
4、分析计算
1)根据步骤2与步骤3中得到的晶体的稳定结构数据文件-CONTCAR，得到的不同温度下结构的晶格常数、原子间距，评估晶格的扭曲程度，判断它的热稳定性；根据相分离率计算公式，可以判断某温度下材料均匀性；
2)定义参数二相分离率PSD，其计算公式为：
其中
和
是某一温度下计算后得到的锆与锆原子间距，以及铈与锆原子间距。d0表示0K未进行升温计算时的原子间距。对于真空层结构而言，每一层Zr原子的变化幅度并不相同，因此需要分析每一层原子的相分离率，如图6所示；
3)根据上述结果绘制热变形率、相分离率随温度变化的图形。
通过上述模拟计算与数据处理，以(100)-M结构为例，最后得到的数据结果如图3、图4所示，双掺杂Al后的体系计算结果如图6所示。可以看到Ce0.5Zr0.5O2在1000～1100K时，热变形率与相分离率急剧增加，这意味着材料热稳定性变差，并且相分离现象变得严重，其催化性能会大大降低，此结果与实验上观察到的结果相吻合。而加入Al后的双掺杂体系中，锆元素的相分离率大大降低，图6中最高点是原Zr原子位置，替换为Al，由于Al原子的原子半径较小，导致该位置处Al原子计算出的相分离率较大，但这变化仅围绕Al发生，其余Zr原子表现出的热稳定性均得到提高，改善了材料的热稳定性。而这一结论与实际材料实验中，观察测试得到的结果相一致。以上结果证明本发明提出的热变形率和相分离率两个参数十分有意义并且可靠。利用这两个参数作为评价标准，借助第一原理计算，即可快速有效的研究能提高铈锆固溶体热稳定性的掺杂元素。
利用本发明可以借助第一原理分子动力学升温模拟，以及热变形率和相分离率两个参数的计算结果，精准预测Ce0.5Zr0.5O2的性能随温度骤降的转折点，此温度在1000～1100K范围。当工作温度超过此温度，铈锆固溶体的热稳定性大幅下降。对于双掺杂体系Ce0.5Zr0.4Al0.1O2的模拟计算可发现，当材料从Zr的单掺杂变为Al-Zr双掺杂时，是可以改善材料的热稳定性的。并且该结论得到实际实验的数据支持。本发明中所提出的两个参数即热变形率、相分离率，对观察掺杂元素对体系热稳定性能是否有改善或提高提供了很大帮助。并且这一实例佐证了本发明提出的热变形率、相分离率该两个参数的科学性与可靠性，该发明的描述材料相分离程度的方法可广泛应用于铈基单元或二元掺杂材料。
Claims (6)
1.一种基于第一原理计算定量描述材料相分离程度的方法，其特征在于，
1)计算得到材料的晶体的稳定结构数据文件和不同温度下的结构数据文件；
2)利用热变形率与相分离率两个参数的计算公式定量描述材料相分离程度；
a)定义参数热变形率TDR，其计算公式为：
其中，
是某一原子在T K温度计算后对应的xyz轴坐标，
是该原子在温度为0K时对应的xyz轴坐标，d0是0K时该原子与氧原子的间距；
b)定义参数相分离率PSD，其计算公式为：
其中，
和
是温度为t时，计算得到的相同原子A的间距，以及不同原子A和B的间距；d0表示温度为0K时的原子间距。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括晶体的稳定结构数据文件CONTCAR和不同温度下的结构数据文件CONTCAR的计算方法。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，
晶体的稳定结构数据文件的计算方法包括以下步骤：
1)构建材料的晶体结构模型，基于不同晶面截取超晶胞，分别建立具有不同顶层的真空层结构模型；
2)对各个真空层结构模型进行优化，得到晶体的稳定结构数据文件；
晶体不同温度下的结构数据文件的计算方法包括以下步骤：
3)对步骤2)完成优化的模型进行第一原理分子动力学升温计算，得到不同温度下的结构数据文件。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述步骤2)中优化方法为：
设置计算控制参数文件-INCAR、K点取样文件-KPOINTS、体系结构文件-POSCAR和赝势文件-POTCAR四个输入文件，利用原子尺度材料模拟的计算机程序包-VASP进行优化。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法适用于铈基的单元或二元掺杂材料。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据所述晶体的稳定结构数据文件，分析不同温度下晶体结构的晶格常数、原子间距，评估晶格的扭曲程度，判断材料的热稳定性；根据相分离率计算数据，判断不同温度下材料的均匀性。
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| CN110210103A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-09-06 | 北京工业大学 | 一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法 |
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2020
- 2020-02-18 CN CN202010098811.5A patent/CN111326219A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110210103A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-09-06 | 北京工业大学 | 一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法 |
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