一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法及系统与流程

本发明涉及材料性能研究，尤其涉及一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法及系统。

背景技术：

1、在现代材料科学与工程领域，计算与实验的相结合已经成为一种普遍的研究策略。这种结合方式不仅能够更快速、更准确地预测和验证新材料的性质，还可以利用高性能计算机技术，大幅度减少实验成本和时间。这其中对于表面科学尤为重要。表面反应、吸附以及与之相关的各种表面性质在众多应用场景中起着核心作用，如新型催化剂的设计、防腐涂层的研发以及纳米技术中的表面改性等。为了对这些过程有更深入的了解，研究者经常引入“覆盖度”这一概念。从计算角度来看，覆盖度描述了表面被吸附物覆盖的程度，它为我们提供了宝贵的信息，帮助我们预测吸附物的排列、表面反应的动力学以及可能的反应路径。例如，在催化研究中，覆盖度对催化剂的活性和选择性有着至关重要的影响。过高的覆盖度可能会导致催化剂表面的活性中心被“堵塞”，从而降低其催化效率；而过低的覆盖度则可能使得催化反应不够稳定。同样，在腐蚀研究中，材料表面的覆盖度决定了其与外界环境的相互作用强度，从而影响材料的耐腐蚀性。

2、然而，虽然覆盖度在计算研究中是一个非常有用的概念，但在实际应用中，研究人员往往是通过直接测量吸附剂表面上的吸附量和吸附剂的最大吸附量计算出吸附分子的浓度，然后根据常用的覆盖度的计算公式例如朗格谬尔等温吸附方程式来计算覆盖度。这种计算覆盖度的方式需要在实验过程中进行多次复杂的测量操作，且在测量过程中容易因操作不当产生测量误差进而导致计算误差。此外，上述计算覆盖度的方式在实验过程中需要保持环境温度恒定，对实验环境的要求较高。因此，本发明提供了一种易于操作且准确度较高的基于模拟环境的覆盖度预测方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法及系统，通过模拟金属表面的吸附过程，预测溶液中的金属覆盖度，提高了对在溶液中的金属覆盖度预测的准确性与便捷性。

2、第一方面，本发明实施例提供一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法，包括：

3、获取目标金属的第一建模参数和目标溶液的第二建模参数；

4、根据所述第一建模参数和第二建模参数建立目标金属的金属表面模型和目标溶液的溶液体系模型；

5、将所述金属表面模型与所述溶液体系模型进行结合，构建固液界面模型，其中，所述固液界面模型所呈现的图形化状态为：所述目标金属完全位于所述目标溶液之内；

6、在预设温度下通过所述固液界面模型模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程；

7、根据所述吸附过程中产生的模拟数据预测所述目标溶液的金属覆盖度。

8、本发明实施例提供一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法，通过构造目标溶液对应的固液界面模型并模拟目标溶液的溶质的吸附过程，并基于模拟吸附过程中所产生的模拟数据预测所述目标金属在所述目标溶液中对应的覆盖度。本发明通过构建目标金属的金属表面模型和目标溶液的溶液体系模型进行模拟，可以便捷获取用于预测覆盖度的模拟数据，避免在真实环境下进行复杂的测量，减少测量误差，提高了对在溶液中的金属覆盖度预测的便捷性与准确性。同时，在虚拟的环境中可以使环境温度以及其他实验条件维持在理想状态，进一步提高对金属覆盖度预测的准确性。

9、在一种可能实现的方式中，所述根据所述第一建模参数和第二建模参数建立目标金属的金属表面模型和目标溶液的溶液体系模型，具体为；

10、根据所述第一建模参数中目标金属的晶体结构，对所述目标金属进行超胞建模，建立所述金属表面模型；

11、根据所述金属表面模型的长宽以及第二建模参数，对所述目标溶液进行建模，建立所述溶液体系模型。

12、本发明实施例提供一种对金属和溶液建模的方法，根据所述目标金属的晶体结构建立金属表面模型；根据所述金属表面模型的长宽建立溶液体系模型，为后续模拟金属在溶液中溶质的吸附过程提供了模型基础。此外，基于目标金属的晶体结构所建立的金属表面模型更能体系目标金属的特性，有效区分其他金属，提高模拟的准确性；基于金属表面模型的长宽建立溶液体系模型，使得建立的溶液体系模型更加适配金属表面模型，提高模拟的准确性，进而可以获取更符合实际情况的模拟数据，提高金属覆盖度预测的准确性。

13、进一步的，所述溶液体系模型的溶液尺寸与所述目标金属对应的表面超胞的尺寸相匹配，所述溶液体系模型的溶液原子与盒子边缘之间存在预设间距。

14、本发明实施例进一步限定了一些建立溶液体系模型的细节要求，其中，所述溶液体系模型的溶液尺寸与所述目标金属对应的表面超胞相匹配，是为了后续更准确地模拟金属表面对溶质的吸附过程；所述溶液体系模型的溶液原子与盒子边缘之间存在预设间距是为了防止在构建溶液体系模型表面时被周期性截断，进一步提高金属覆盖度预测的准确性。

15、在一种可能实现的方式中，所述在预设温度下通过所述固液界面模型模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程，具体为：

16、将所述固液界面模型中金属表面的物质分为a、b两组，其中，a组中的物质为金属基体原子，b组中的物质为所述金属表面所吸附的溶质原子；

17、基于分子动力学和nvt系综，通过预设的势函数模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程，直到所述固液界面模型处于平衡状态。

18、本发明实施例提供一种模拟溶质吸附过程的方法，通过固液界面模型，基于分子动力学和nvt系综进行溶质吸附过程的模拟，进而预测出对应的覆盖度。其中，在模拟前将固液界面模型的物质分为a、b两组，便于后续计算ab组之间的配位数统计平均值，进而实现对覆盖度的预测；在模拟过程中，当固液界面模型处于平衡状态时，溶质的吸附达到稳定状态，可以根据此时的模拟数据预测金属覆盖度。

19、进一步的，在所述模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程中，实时监测所述固液界面模型的模拟数据，根据所述模拟数据中的压力、温度以及能量数据判断所述固液界面模型是否处于平衡状态。

20、本发明实施例通过实施监测模拟过程中所产生的模拟数据，根据所述模拟数据中的压力、温度以及能量数据判断固液界面模型是否处于平衡状态，这些数据可以在模拟软件中直观的观测到，提高了对金属覆盖度的相关研究以及实验的效率和便捷性；此外只有在平衡状态下预测的金属覆盖度才是准确的覆盖度，确保了溶液浓度与金属覆盖度对应关系的准确性。

21、在一种可能实现的方式中，所述根据所述吸附过程中产生的模拟数据预测所述目标溶液的金属覆盖度，具体为：

22、在所述固液界面模型处于平衡状态时，根据预设的配位数计算公式计算a组的金属基体原子与b组的溶质原子之间的配位数统计平均值占金属表面原子的比例，进而预测所述目标溶液的金属覆盖度。

23、进一步的，所述预设的配位数计算公式，具体为：

24、

25、其中，cn(a,b)为a组与b组之间的配位数统计平均值，rij为原子i和原子j之间的距离，sij(rij)为通过距离rij描述原子i和j之间配位数的切换函数，d0是切换函数sij的中心位置,使得sij(d0)＝1，n/m是切换函数的耦合系数，r0是切换函数的接受距离，所述接受距离为控制j原子不再被认为与原子i成键的距离。

26、第二方面，本发明实施例提供了一种金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线构建方法，使用本发明实施例所述的任意一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法，分别预测在不同浓度的溶液中的金属覆盖度，并构建金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线。

27、本发明实施例提供了一种金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线构建方法，通过预测在不同浓度的溶液中的金属覆盖度，构建金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线，使得相关研究人员可以通过本方法快速构建在不同溶液浓度的情况下，目标金属在目标溶液中的覆盖度变化曲线，进而在实际应用过程中根据实际需要选择最佳的金属覆盖度，例如在催化剂的使用过程中，可以先通过本方法构建催化剂的覆盖度变化曲线，确定最佳的覆盖度以及其对应的溶液浓度。

28、第三方面，相应的，本发明实施例提供一种溶液中的金属覆盖度模拟预测系统，包括获取模块、第一建模模块、第二建模模块、模拟模块和预测模块；

29、其中，所述获取模块用于获取目标金属的第一建模参数和目标溶液的第二建模参数；

30、所述第一建模模块用于根据所述第一建模参数和第二建模参数建立目标金属的金属表面模型和目标溶液的溶液体系模型；

31、所述第二建模模块用于将所述金属表面模型与所述溶液体系模型进行结合，构建固液界面模型，其中，所述固液界面模型所呈现的图形化状态为：所述目标金属完全位于所述目标溶液之内；

32、所述模拟模块用于在预设温度下通过所述固液界面模型模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程；

33、所述预测模块用于根据所述吸附过程中产生的模拟数据预测所述目标溶液的金属覆盖度。

34、在一种可能实现的方式中，所述第一建模模块根据所述第一建模参数和第二建模参数建立目标金属的金属表面模型和目标溶液的溶液体系模型，具体为；

35、根据所述第一建模参数中目标金属的晶体结构，对所述目标金属进行超胞建模，建立所述金属表面模型；

36、根据所述金属表面模型的长宽以及第二建模参数，对所述目标溶液进行建模，建立所述溶液体系模型。

37、进一步的，所述溶液体系模型的溶液尺寸与所述目标金属对应的表面超胞的尺寸相匹配，所述溶液体系模型的溶液原子与盒子边缘之间存在预设间距。

38、在一种可能实现的方式中，所述模拟模块在预设温度下通过所述固液界面模型模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程，具体为：

39、将所述固液界面模型中金属表面的物质分为a、b两组，其中，a组中的物质为金属基体原子，b组中的物质为所述金属表面所吸附的溶质原子；

40、基于分子动力学和nvt系综，通过预设的势函数模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程，直到所述固液界面模型处于平衡状态。

41、进一步的，在所述模拟所述目标溶液的溶质在所述目标金属表面的吸附过程中，实时监测所述固液界面模型的模拟数据，根据所述模拟数据中的压力、温度以及能量数据判断所述固液界面模型是否处于平衡状态。

42、在一种可能实现的方式中，所述预测模块根据所述吸附过程中产生的模拟数据预测所述目标溶液的金属覆盖度，具体为：

43、在所述固液界面模型处于平衡状态时，根据预设的配位数计算公式计算a组的金属基体原子与b组的溶质原子之间的配位数统计平均值占金属表面原子的比例，进而预测所述目标溶液的金属覆盖度。

44、进一步的，所述预设的配位数计算公式，具体为：

45、

46、其中，cn(a,b)为a组与b组之间的配位数统计平均值，rij为原子i和原子j之间的距离，sij(rij)为通过距离rij描述原子i和j之间配位数的切换函数，d0是切换函数sij的中心位置,使得sij(d0)＝1，n/m是切换函数的耦合系数，r0是切换函数的接受距离，所述接受距离为控制j原子不再被认为与原子i成键的距离。

47、第四方面，相应的，本发明实施例提供一种金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线构建系统，使用本发明实施例所述的任意一种溶液中的金属覆盖度模拟预测方法，分别预测在不同浓度的溶液中的金属覆盖度，并构建金属覆盖度与溶液浓度的关系曲线。