CN114974457A - 一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法与系统，涉及氢化物结构稳定性技术领域，包括步骤：基于目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；基于晶体结构模型获取该结构中的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构；通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；根据稳定性判定结果判定相应金属间氢化物可制备。本发明通过对前期对金属间氢化物的稳定性测试，避免对不稳态下氢化物的研究，为金属间氢化物的研究提供方向性指导。
Description
技术领域
本发明涉及金属间化合物形成氢化物的晶体结构稳定性技术领域，具体涉及一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法与系统。
背景技术
金属间氢化物(intermetallic hydrides，由金属间化合物结合氢原子后形成)是储氢的重要介质。许多金属间氢化物材料体系已通过合成和表征实验进行了广泛研究。基于第一性计算的金属间氢化物的结构预测将极大地促进新型金属间氢化物的制备和研究。成功的预测将使得新型金属间氢化物体系的发现和制备实验更加具有目的性，从而指导昂贵的实验工作朝着相对正确的方向进行。
然而目前制备新型金属间氢化物主要为直接实验制备尝试，这对于普通从事储氢研究的人员来说并不友好，造成大量实验时间和材料的浪费。而采用一种相对可靠的基于目标金属间化合物晶体结构的新型金属间氢化物结构及其稳定性的计算方法来进行事先预测，可以节约大量时间和经费。
发明内容
为了在对金属间氢化物研究过程中，事先进行氢化物结构及其稳定性的预测，本发明提出了一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，包括步骤：
S1：基于目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
S2：基于晶体结构模型获取该结构中的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
S3：根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构；
S4：通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
S5：判断声子谱在倒空间是否具有正色散，若是，判定该金属间氢化物具有稳定结构；
S6：根据稳定性判定结果判定相应金属间氢化物可制备。
进一步地，所述S2步骤中，晶格间隙通过TOPOS软件获取。
进一步地，所述S3步骤中，通过VASP软件进行晶胞模型的优化，所述S4步骤中，通过Phonopy软件进行声子谱的获取。
进一步地，所述S3步骤之前，还包括步骤：
S30：设置VASP软件的参数文件。
进一步地，所述晶胞模型是通过VASP软件进行基于密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，在获得电子基态能量后实现对原子能的预设弛豫判断。
本发明还提出了一种基于结构稳定性的金属间氢化物制备判定系统，包括：
结构构建单元，用于根据目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
模型构建单元，用于获取晶体结构模型的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
模型优化单元，用于根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构
声谱计算单元，用于通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
制备判定单元，用于在声子谱在倒空间具有正色散时判定相应金属间氢化物结构稳定，可制备。
进一步地，所述模型构建单元中，晶格间隙通过TOPOS软件获取。
进一步地，所述模型优化单元中，通过VASP软件进行晶胞模型的优化，所述声谱计算单元中，通过Phonopy软件进行声子谱的获取。
进一步地，所述模型优化单元中，还包括参数设置单元，用于设置VASP软件的参数文件。
进一步地，所述晶胞模型是通过VASP软件进行基于密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，在获得电子基态能量后实现对原子能的预设弛豫判断。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法与系统，通过构建目标金属间氢化物的晶胞模型，利用已成熟的软件进行晶体结构模拟，而后基于声子谱判断即可获得目标待生成金属间氢化物的稳定性判定结果，并对稳定的金属间氢化物进行制备；
(2)通过对前期对金属间氢化物的稳定性测试，避免对不稳态下氢化物的研究，为金属间氢化物的研究提供方向性指导，降低试错成本。
附图说明
图1为一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法的步骤图；
图2为一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统的结构图；
图3为LaNi5晶胞结合示意图；
图4为基于本发明构建的LaNi5H7声子谱计算结果示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了使得研究各类已知合金在结合氢原子时的晶体结构稳定性情况，能够降低目标化合物制备的成本，同时减少由于化合物制备指导方向不足而导致的大量耗时，如图1所示，本发明提出了一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，包括步骤：
S1：基于目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
S2：基于晶体结构模型获取该结构中的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
S3：根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构；
S4：通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
S5：判断声子谱在倒空间是否具有正色散，若是，判定该金属间氢化物具有稳定结构；
S6：根据稳定性判定结果判定相应金属间氢化物可制备。
本实施例以通过衍射实验验证过的LaNi5H7作为验证标准，将金属间化合物LaNi5带入本发明所述的方法中进行技术点描述。通过将利用本发明所述方法获得的LaNi5H7稳定性判定结果，与衍射实验结果进行比对来验证本发明的准确性。
首先，需要构建目标金属间化合物也即是LaNi5的晶体结构。需要注意的是，由于部分晶体晶胞的特殊性，需要晶体间相互组合才能实现氢原子的储存，因此这些金属间氢化物的晶体结构需要由多个不含氢原子的单体晶体结构组成的。比如LaNi5，由于其为β相氢化物，因此要组成能够储存氢原子的结构就需要两个单体LaNi5晶胞结合起来(如图3所示)。
而后，通过TOPOS软件(一种晶体学软件，用于分析晶格间隙)进行晶格间隙的计算，通过计算两两结合后LaNi5结构中符合氢原子占据条件(在本实施例中TOPOS参数采用默认的氢原子半径，即0.25和10％的间隙尺寸余量)的晶格间隙，并在晶格间隙中加入氢原子，构建氢化物LaNi5H7的晶胞模型(对应于表1中的弛豫前)。
VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)软件，是由维也纳大学Hafner小组编制的能对具有周期性边界体系进行高性能计算的商业软件。该软件基于第一性原理使用密度泛函理论并采用超软赝势或者投影缀加波方法来使用能量最小化方案对电子结构进行总能量计算。在本实施例中，将构建后的晶胞模型命名为POSCAR，并作为VASP软件的参数文件之一，文件中包括晶格大小和原子种类以及坐标等信息。具体地，其它各类参数文件还包括：
INCAR文件，主要为控制计算体系的各种参数，它对计算的体系条件进行了注释，选择了计算的方法并标定了收敛标准；
KPOINTS文件，用于调节布里渊区k点取样的设置方式；
POTCAR文件，用于输入计算采用的赝势，本实施例中的所有计算均采用广义梯度近似(即GGA赝势)。
将上述四个输入文件提交到运算节点上进行运算，使用VASP软件包进行材料体系的结构优化计算，通过密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，求得体系在多个电子的基态能量。当体系中的原子能达到在INCAR中标定的受力与能量收敛精度时，就认为体系达到了稳定的结构，此时体系中的原子达到了预设驰豫，此时结构在当前设置的条件下是足够合理的。优化后得到的结构如表1中“弛豫后”。(表中a、b、c分别为晶格三维坐标系下的坐标轴)
通过VASP软件的运用，将晶格间隙中填充的氢原子进行最稳态分析(也即是说，对于未研究过的合金，其结合氢原子后的晶体结构是未知的，通过VASP软件的应用对其最有可能(状态最稳)的结构进行分析)，从而获得自然状态下LaNi5H7最有可能(稳态最高)存在的结构，避免非常态结构对稳态分析结果的影响。
表1：中子衍射实验验证的LaNi5H7结构和本申请方法构建的LaNi5H7结构模型(弛豫前)和得到的LaNi5H7结构(弛豫后)
在这里，本发明通过TOPOS软件和VASP软件的联合使用，进行目标待生成金属间氢化物的模拟构建，进而进行后续的结构稳定性分析。在实际应用中，晶格间隙分析软件和晶胞稳态调整的软件种类还很多，并不仅限于本发明中所述的软件。虽然本发明是基于现有的软件的功能结合进行的功能实现，但相较于现有技术，采用本发明的方法无需通过昂贵的实验制备实际金属间氢化物，能够大大减轻在对多种目标金属间氢化物进行研究分析时的制备成本，同时由于是利用软件进行的最稳态晶胞构建，在最大程度上模拟真实产物的同时，也能减少由于制备所需的时间成本，提高了研发进度，同时减少试错过程，为金属间氢化物的研究提供方向指导。
而在获得了目标待生成金属间氢化物的相对稳态结构后，本发明通过Phonopy程序对其进行声子谱计算，如图4所示(横坐标为波矢量Wave vector，R、Г、S、Y为晶体倒格子中具有对称性的点；纵坐标为频率Frequency)。从声子谱(本质上也是能量的一种)计算结果来看，通过本发明所述方法模拟构建的LaNi5H7，其声子谱在倒空间具有正色散，也即是说计算得到的LaNi5H7氢化物的结构为稳定结构。
从表1和图4结果可知，计算得到的LaNi5H7氢化物结构和报道的LaNi5H7氢化物晶格结构接近，并且计算的结构表现为稳定结构，这验证了本申请所述方法可以用来进行金属间化合物氢化物的结构预测。
实施例二
为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，包括：
结构构建单元，用于根据目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
模型构建单元，用于获取晶体结构模型的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
模型优化单元，用于根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构
声谱计算单元，用于通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
制备判定单元，用于在声子谱在倒空间具有正色散时判定相应金属间氢化物结构稳定，可制备。
进一步地，模型构建单元中，晶格间隙通过TOPOS软件获取。
进一步地，模型优化单元中，通过VASP软件进行晶胞模型的优化，所述声谱计算单元中，通过Phonopy软件进行声子谱的获取。
进一步地，模型优化单元中，还包括参数设置单元，用于设置VASP软件的参数文件。
进一步地，晶胞模型是通过VASP软件进行基于密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，在获得电子基态能量后实现对原子能的预设弛豫判断。
综上所述，本发明所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法与系统，通过构建目标金属间氢化物的晶胞模型，利用已成熟的软件进行晶体结构模拟，而后基于声子谱判断即可获得目标待生成金属间氢化物的稳定性判定结果，并对稳定的金属间氢化物进行制备。
通过对前期对金属间氢化物的稳定性测试，避免对不稳态下氢化物的研究，为金属间氢化物的研究提供方向性指导，降低试错成本。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，其特征在于，包括步骤：
S1：基于目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
S2：基于晶体结构模型获取该结构中的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
S3：根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构；
S4：通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
S5：判断声子谱在倒空间是否具有正色散，若是，判定该金属间氢化物具有稳定结构；
S6：根据稳定性判定结果判定相应金属间氢化物可制备。
2.如权利要求1所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，其特征在于，所述S2步骤中，晶格间隙通过TOPOS软件获取。
3.如权利要求1所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，其特征在于，所述S3步骤中，通过VASP软件进行晶胞模型的优化，所述S4步骤中，通过Phonopy软件进行声子谱的获取。
4.如权利要求3所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，其特征在于，所述S3步骤之前，还包括步骤：
S30：设置VASP软件的参数文件。
5.如权利要求3所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测方法，其特征在于，所述晶胞模型是通过VASP软件进行基于密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，在获得电子基态能量后实现对原子能的预设弛豫判断。
6.一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统，其特征在于，包括：
结构构建单元，用于目标金属间化合物的晶体结构构建该化合物对应的晶体结构模型；
模型构建单元，用于获取晶体结构模型的晶格间隙，并根据晶格间隙构建填充氢原子后该化合物氢化物的晶胞模型；
模型优化单元，用于根据晶胞模型进行材料体系的结构优化，并在原子能达到预设弛豫后输出优化后的金属间氢化物结构
声谱计算单元，用于通过声子谱计算获取优化后金属间氢化物结构的声子谱；
制备判定单元，用于在声子谱在倒空间具有正色散时判定相应金属间氢化物结构稳定，可制备。
7.如权利要求6所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统，其特征在于，所述模型构建单元中，晶格间隙通过TOPOS软件获取。
8.如权利要求6所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统，其特征在于，所述模型优化单元中，通过VASP软件进行晶胞模型的优化，所述声谱计算单元中，通过Phonopy软件进行声子谱的获取。
9.如权利要求8所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统，其特征在于，所述模型优化单元中，还包括参数设置单元，用于设置VASP软件的参数文件。
10.如权利要求8所述的一种基于结构稳定性的金属间氢化物结构预测系统，其特征在于，所述晶胞模型是通过VASP软件进行基于密度泛函理论自洽求解Kohn-Sham方程，在获得电子基态能量后实现对原子能的预设弛豫判断。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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