密度泛函理论在光催化中的普遍应用

在低碳发展的背景下,开发利用清洁无污染的太阳能对满足未来日益增长的能源需求至关重要.半导体光催化技术可将太阳能转化为化学能,为可再生能源的发展提供了重要支持.因此,深入理解光催化剂与光催化活性之间的内在关联,对于优化和提升光催化效率至关重要.尽管科研人员在设计开发用于光催化反应的新材料方面付出了巨大努力,但对半导体的内在性质、表面活性位点和催化反应机理之间的深层次联系,仍缺乏充分的理解和认识.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算是揭示材料内禀电子结构性质和反应过程能量变化的重要工具,正逐渐获得研究者的广泛关注.并且,随着计算方法的不断优化,该领域也取得了显著的进步.本文通过系统梳理国内外代表性研究工作,深入探讨了DFT计算在光催化领域中的广泛应用.首先,总结了DFT计算在光催化领域中的六大优势:(1)预测光催化材料的电子结构,如能带结构、能带间隙和能级;(2)预测表面反应的吸附位点、吸附能等变化;(3)在原子水平上揭示电荷转移过程,包括电子和空穴的运动;(4)阐明光催化剂与底物之间的相互作用;(5)预测光催化材料中空位、间隙和掺杂等缺陷的形成及其影响;(6)阐明光催化反应的机理细节,包括中间物种、过渡态和反应途径等.接着,简要概述了常用于第一性原理计算的软件和计算方法,并特别关注了如何利用不同策略来纠正传统DFT方法对半导体电子结构特性的不适当估计.随后,分析了基于DFT计算的半导体电子和能量特性的典型研究案例,如能带结构、态密度、电荷分布、功函数、形成能和吸附自由能等.此外,还详细阐述了半导体催化剂在多种太阳能驱动反应中的基本应用,包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、CO_(2)还原反应和氮还原反应等.最后,指出了DFT计算在光催化研究中的机遇与挑战,并展望了未来可能的发展方向.综上,本文系统综述了DFT计算在光催化领域中的广泛应用,旨在深入理解光催化反应中“组成-结构-功能”之间的关系,并为未来开发设计用于太阳能到化学能催化转化的高效稳定催化剂提供参考.

基于密度泛函理论的第一性原理赝势法

第一性原理计算方法有着半经验方法不可比拟的优势,基于密度泛函理论第一性原理赝势法已经成为现代材料计算和设计的重要基础和核心技术。本文对基于局域密度泛函理论的第一性原理赝势法进行了扼要分析。

功能分子结构的组装和单分子物性:基于密度泛函理论的第一性原理计算与扫描隧道显微学(I)

在单个分子的层次上研究低维分子纳米结构的生长,理解组装机制并实现结构与特性的有效控制,是低维体系物理及其器件研究的重要内容。本文在基于密度泛函的第一性原理计算的基础上,对功能分子在金属表面上的自组装特性等进行了综述。对理论方法作了简要介绍后,综述了第一性原理计算方法在研究金属基底上分子自组装结构、界面特性、结构控制、单分子成像机制、单分子量子调控以及单分子输运性能等方面的应用。最后对基于密度泛函的第一性原理计算在解释功能分子组装与界面物理化学特性方面的发展前景进行了展望。

GaSe/ZnS异质结的结构和界面性质的第一性原理研究

本文设计了一种GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构(vdWH),并用第一性原理计算系统地分析了该异质结构的几何、电子、输运性质。通过结合能、声子谱、从头算分子动力学(AIMD)模拟验证了所构建GaSe/ZnS范德瓦耳斯异质结构的稳定性。详细计算了GaSe/ZnS vdWH界面性质中的平面平均电子密度差和平均静电势。结果表明,GaSe/ZnS vdWH是一种直接带隙为2.19 eV,载流子迁移率较高的异质结构。其中,沿x方向的电子迁移率可达1394.63 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),而沿y方向的电子迁移率可达1913.18 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),性能优异,有望应用于电子纳米器件。

苯妥英分子结构、NMR分析、IR光谱的密度泛函理论与第一性原理计算

使用Gaussian03软件,利用RHF/6-31++G(d,p)和B3LYP/6-31++G(d,p)方法计算了基态苯妥英(phenytoin,C15H11N2O2)的几何结构、红外与拉曼光谱、谐振强度以及原子电荷分布,并将修正后的谐振频率与傅里叶变换红外光谱实验值进行了对比,对红外光谱和振动模式进行了细致分析和解释。在DFT计算和平均势能分布分析的基础上,对实验得到的苯妥英的振动模式进行解释,并提出了一些其他振动模式,进一步得到了标题化合物的红外光谱图和拉曼光谱图。另外,还研究了苯妥英的^(13)C和~1H NMR谱以及分子的其他性质。

杂多酸型离子液体杂化材料的第一性原理研究

构建了三种同系杂多酸型离子液体模型,随后用密度泛函理论分析并讨论了它们微观结构、结合能、载流子有效质量.结果表明杂多酸的取代配位原子数目会对杂化物的性质产生较大影响.在钼取代的磷钨酸中,当钼取代数目低时,杂化物载流子有效质量较低,呈较强的导电性.高钼取代数时载流子的相对质量较大,因此传输阻力增大,其导电性于低钼取代数目的杂化物.以此对所合成材料的性质进行预测与验证,为以后合成、分析这类物质提供理论依据和指导作用.

硅碳纳米管(8, 0)几何结构和电子结构性质密度泛函理论的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,研究了硅碳纳米管(8,0)几何结构和电子结构性质。硅碳纳米管(8,0)是由32个碳原子和32个硅原子,共计64个原子组成的折叠之字形结构。计算结果表明:硅碳纳米管(8,0)的相邻原子碳和硅所构成的Si-C键的平均键长为0.1787nm,平均直径为0.797nm。对电子结构性质的研究是通过将最高占据轨道和最低未占据轨道的能隙进行了分析,实验中得到能带最高占据轨道跟最低未占据轨道为1.344eV,并且其能带最高占据轨道跟最低未占据轨道在同一对称点上,因此定性其为直接带隙半导体。通过对硅碳纳米管(8,0)电子态密度图分析,发现其电子分布的峰值差异较大:电子主要分布在?0.55eV^0.15eV之间,其中?0.35eV^0.3eV和0.12eV^0.15eV之间几乎无电子分布,在?0.15eV~?0.12eV之间电子分布最多。通过本计算模拟研究可对今后硅碳纳米管的结构、性能研究及应用发展提供理论参考。对本研究的支持。

高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,优化了三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的几何结构,研究了高压下三元层状氮化物M_(2)AlN(M=Ti,Zr)的结构、力学、电子及光学性质。结构和力学性质研究表明,Ti_(2)AlN的压缩性优于Zr_(2)AlN,弹性常数证实了高压下的力学稳定性。延展性和弹性各向异性随着压力的增加而增强,Zr_(2)AlN对压力更加敏感。电子性质研究表明,两种三元层状氮化物均表现为金属性,共价性随着压力的增加而增强。Ti_(2)AlN和Zr_(2)AlN的多晶体和不同轴上的静态介电函数ε_(1)(0)以及静态折射率n(0)表明光学性质存在较低的各向异性,两种三层状氮化物都表现出较强的光吸收能力和反射率。本文的理论研究阐述了高压下三元层状氮化物Ti_(2)AlN和Zr 2AlN的相关性质,为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据。

晶体Si能带的密度泛函及第一性原理计算

针对晶体Si在二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路中的应用与其能带结构密切相关的问题,采用密度泛函理论及第一性原理的赝势平面波方法,从理论上计算了晶体Si的电子能带.计算结果表明:Si的晶格常数为0.540 nm,与实验参考值相吻合;其价带宽度为11.80 eV,导带宽度为9.58 eV,该结果与其他学者用OPW方法所计算的结果相符合;价带与导带之间的禁带宽度为0.80 eV,进一步说明了Si是良好的半导体材料.

S_2Cl_2异构体最大硬度原理的密度泛函理论研究

在LDA/NL水平研究了最大硬度原理(MHP)在S2Cl2分子旋转异构化过程中的真实性。报告了S2Cl2分子在键的旋转异构化过程形成的各种异构体分子的硬度、化学势和总能量的计算值,并由此得出重要结论:①在分子旋转异构化过程中,硬度最大的分子能量最小,而硬度最小的分子能量最大,用计算的硬度表征S2Cl2异构体的稳定性与计算的总能量表征S2Cl2异构体的稳定性相当吻合,从而使最大硬度原理被进一步证实。②虽然化学势不宜表征异构体的稳定性,但是恒定的化学势是最大硬度原理成立的重要条件。

Ir掺杂MoSe_(2)吸附气体分子的第一性原理研究

基于第一性原理,通过密度泛函理论(DFT)分析了CO、SO_(2)、H_(2)S、NH_(3)、CH_(4)和C3H6O气体分子在掺杂贵金属Ir的MoSe_(2)体系上的吸附,研究了基底材料的能带结构和电子性质,以及目标气体分子与掺杂Ir的MoSe_(2)之间的吸附能、吸附距离、电荷转移、态密度、功函数和恢复时间。计算结果表明Ir掺杂后材料的形成能为-5.43 eV,表明掺杂Ir原子是自发的放热反应,在Se空位的MoSe_(2)超胞中掺杂Ir原子后体系是稳定的。材料的带隙从掺杂前的1.46 eV降至掺杂后的0.77 eV,说明掺杂增大了基底材料的载流子浓度,提高了材料表面的转移电荷量。相比本征体系,掺杂体系增大了SO_(2)、H_(2)S和NH_(3)吸附能,显著缩短了吸附距离,提高了二维MoSe_(2)对气体分子的吸附能力,增加了转移电荷量,增强了气体分子与基底表面的电子相互作用,从而提高了二维MoSe_(2)对SO_(2)、H_(2)S和NH_(3)的气敏性能,为开发基于MoSe_(2)的高性能气体传感器提供了理论参考。

PbSb_(2)O_(6)热力学性质的第一性原理研究

PbSb_(2)O_(6)的空间群为P-31m,由于其具有不规则多面体的特殊层状结构和隧道结构、价带和导带的杂化态以及深层氧化势,在光催化剂、玻璃材料和半导体等领域有着广阔的应用前景。当前对于PbSb_(2)O_(6)制备的研究较多,为了理解PbSb_(2)O_(6)在实际应用中的化学反应性和热力学稳定性条件,对其热力学性质的研究是有必要的。基于密度泛函理论第一性原理方法,对PbSb_(2)O_(6)的标准生成焓、熵、热容、热膨胀系数等进行了研究。

基于数据库的第一性原理材料计算流程设计

第一性原理计算即从量子力学基本原理出发,采用数值算法求解密度泛函理论基本方程,从而获得电子运动规律、探索物质运动规律、研究物质的理论描述。项目从针对第一性原理计算的迭代计算和本征态求解方式,开发支持材料元素第一性原理材料计算的软件。随着计算机技术和计算能力的不断进步,对材料性能和机制的认知逐渐深入到电子层次,新材料的研究也越来越由传统的实验室研究转为理论模拟计算和数据驱动标准化流程的新模式。课题基于MangoDB数据库技术,利用Atomate软件的FireWorks模块研究,对材料元素实现第一性原理材料计算,获得其计算基本流程的数据库模型。

单层GeTe在锂/钠/钾离子电池中潜在应用的第一性原理研究

开发具有快速充放电速率和有利于金属离子存储的负极材料对可充电金属离子电池来说意义重大.本文利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,探讨了具有独特锯齿状皱褶层结构的单层碲化锗(GeTe)作为锂/钠/钾离子(Li^(+)/Na^(+)/K^(+))电池负极材料的应用前景.计算结果表明,单层GeTe有利于Li^(+)/Na^(+)/K^(+)的稳定吸附(-0.636,-0.794和-1.260 eV),并通过差分电荷密度及分波态密度图证明了两者之间的强相互作用.Li^(+)/Na^(+)/K^(+)在单层GeTe上的低扩散势垒(1.103,0.344和0.483 eV)以及通过分子动力学模拟计算出的扩散系数(3.65×10^(-12),2.385×10^(-10)和9.43×10^(-12)cm^(2)/s)表明,其在充放电过程中具有优异的扩散能力和快速的充放电速率.合理的开路电压(0.39,0.64和0.25 V)和高于商业石墨负极材料的理论比容量(535.4,669.2和1070.72 mA·h/g)预示单层GeTe可作为一种有前景的锂/钠/钾离子电池负极材料,同时可为其它类似皱褶层六方结构在能量转换和存储器件中的合理设计提供参考.

A_(3)PO_(4)(A=Li,Na,K,Rb,Cs)电子结构与光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论对P-O配位多面体与不同阳离子构成的系列化合物A_(3)PO_(4)(A=Li,Na,K,Rb,Cs)的几何结构、电子结构、光学性质进行系统探究。研究表明通过碱金属原子替换可以改变结构框架,从而调节系列化合物的带隙及光学性能,为设计综合性能优异的材料提供了一条有效途径。能带结构计算表明,五种化合物均为直接带隙化合物且都具有宽的带隙,A_(3)PO_(4)(A=Li,Na,K,Rb,Cs)的带隙依序为5.853、5.153、4.083、3.559、3.405 eV。布居分析发现阳离子A(A=Li,Na,K,Rb)与氧键合形成O—A键,其键长依序逐渐增大并呈现离子键,这也是A_(3)PO_(4)(A=Li,Na,K,Rb)带隙依序减小的主要原因。另一方面,Cs_(3)PO_(4)没有形成离子性质的O—Cs键,导致带隙减小。五种化合物的导带都是由碱金属原子的s和p轨道,以及P-3p轨道组成,价带顶的主要贡献者是O-2p轨道,O原子的2p轨道还在费米能级附近表现出较强的局域性,P-3p轨道与O的2p轨道成键,P—O表现为强的共价键。五种化合物对低能区电磁波响应较弱,主要响应集中在5~15 eV的高能区。

碱金属钼酸盐结构与性能关系的第一性原理研究

基于第一性原理比较研究Li_(2)MoO_(4)、Na_(2)MoO_(4)、K_(2)MoO_(4)和Rb_(2)MoO_(4)四种晶体的晶体结构、电子结构、原子布居、电荷密度分布和双折射率。研究结果表明四种晶体的带隙为直接带隙,禁带宽度相差不大,均在4.3 eV附近。随着碱金属原子半径增加,其电子轨道对能带的贡献会向高能侧靠近。键布居数和电子密度分布情况表明,Mo与O之间形成共价键,碱金属原子与O形成离子键。四种晶体中双折射率最高者为Rb_(2)MoO_(4),其在1064 nm处的双折射率为0.0225。晶体折射率数据表明碱金属原子半径与双折射率正相关。本文研究可为钼酸盐在非线性光学晶体方面的应用提供一定的参考。

Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-CQDs对Li/Na储能性能的密度泛函理论研究

Na_(2)MnPO_(4)F作为锂/钠混合离子电池的电极材料,具有低成本、无毒、高电压和价态丰富等特点,但电子电导率低、离子扩散速率慢、锰的溶解及Jahn-Teller效应,限制了其应用。基于密度泛函理论下的第一性原理,以Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)和Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-碳量子点(CQDs)复合材料为研究对象,构建Na2MnPO4F、NaLiMnPO_(4)F、Na_(2)MnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)、NaLiMnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)、Na_(2)MnPO4F/Ti_(3)C_(2)-CQDs和NaLiMnPO_(4)F/Ti_(3)C_(2)-CQDs等6种结构模型,计算能带结构、结合能、态密度及电荷局域密度,分析复合前后材料的电子结构和性能变化。Li原子的引入,使Na_(2)MnPO_(4)F与Ti_(3)C_(2)和Ti_(3)C_(2)-CQDs的结合能分别增大1.1397 J/m^(2)和0.7866 J/m^(2),复合Ti_(3)C_(2)和Ti_(3)C_(2)-CQDs能改善Na_(2)MnPO_(4)F的导电性,且Ti_(3)C_(2)-CQDs改善效果更佳。

碳在α-Fe-Cr(110)表面及内部扩散行为的第一性原理研究

内容导读碳钢-奥氏体不锈钢异种钢焊接接头界面区域的碳偏聚现象,严重降低了焊接件的性能和使用寿命,本文基于第一性原理赝势平面波方法从原子层次探讨了C(碳)原子在α-Fe(110)和α-Fe-Cr(110)表面结构体系中占位及偏聚行为。赝势平面波方法是基于密度泛函理论即第一性原理计算不同体系的基态属性,平面波具有标准正交化和能量单一性的特点,引入赝势可以保证计算中用较少的平面波数就可以获得较为可靠的结果。计算结果表明,C原子固溶于α-Fe(110)、α-Fe-Cr(110)表面结构体系中,均形成稳定的结构;α-Fe-Cr-C(110)体系中随着Cr含量的增加有利于减缓C在表界面的偏聚;C原子更易偏聚于α-Fe(110)表界面,这一特点促使C更多的偏聚于碳钢-奥氏体钢界面的碳钢一侧。α-Fe-Cr(110)结构表面的稳定性逐渐增强,形成能力逐渐增大。

密度泛函理论及其数值方法新进展

综述了密度泛函理论及其数值方法的最新进展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关近似为主线 ,从最初的局域密度近似、广义梯度近似到现在的非局域泛函、自相互作用修正 ,多种泛函形式的相继出现使得密度泛函理论可以提供越来越精确的计算结果。除了交换相关近似的发展 ,近年来密度泛函理论向含时理论、相对论等方面的扩展也很活跃。另外 ,在密度泛函理论体系发展的同时 ,相应的数值计算方法的发展也非常迅速。从古老的有限差分、有限元到新兴的小波分析都被用来实现密度泛函理论的数值计算。与此同时 ,线性标度的密度泛函理论算法日趋成熟 ,使得通过密度泛函理论研究诸如生物大分子之类的体系成为可能。随着密度泛函理论本身及其数值方法的发展 ,它的应用也越来越广泛 ,一些新的应用领域和研究方向不断涌现。

ZnO能带及态密度的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论框架下第一性原理的平面波赝势方法,并采用局域密度近似(LDA)理论和ABINIT软件对ZnO电子结构进行了计算。得到了ZnO的能带和态密度曲线。研究表明,ZnO的价带基本上可以分为三个区域,即下价带区、上价带区和位于-18.1eV处的宽度为1.1eV的价带;导带部分主要是由Zn的4s态贡献的,O的2p态在该区域内具有微弱的贡献;ZnO是一种直接宽禁带半导体,导带底和价带顶位于布里渊区中心处,带隙为0.9eV,相对比较该结果优于一些文献给出的计算值。