石墨烯负载半导体复合材料分解水性能模拟仿真方法与流程

本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种石墨烯负载半导体CdS复合材料分解水性能模拟仿真方法。

背景技术：

能源危机和环境污染是现代人类面临的两大难题，实验研究发现石墨烯作为载体能够显著改进半导体材料可见光下的光电化学活性，然而对其物理机制尚不清楚。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯负载半导体CdS复合材料分解水性能模拟仿真方法，旨在揭示碳材料中π电子与CdS外层电子间的相互作用规律，揭示CdS-石墨烯复合材料高效催化机理。

本发明是这样实现的，一种石墨烯负载半导体CdS复合材料分解水性能模拟仿真方法包括：

步骤一、优化石墨烯负载半导体CdS复合材料结构；

步骤二、模拟石墨烯负载半导体CdS复合材料表面催化还原H₂O生成H₂的反应过程；

步骤三、采用第一性原理的密度泛函理论和分子动力学仿真模拟方法，得到缺陷态石墨烯负载半导体催化剂CdS复合材料的结构与分解水制氢性能关系。

进一步，构建CdS/Graphene复合材料结构模型，获得材料稳态构型，具体方法为：

步骤一、采用经典周期性模型建立石墨烯二维蜂窝状晶体结构模型，考察缺陷、OH吸附、以及S、N分别取代C原子位掺杂，实现石墨烯表面的功能化；

步骤二、运用第一性原理的Kohn-Sham密度泛函理论，采用广义梯度近似，优化出晶体的稳态结构，得到考察缺陷附近石墨烯晶体键长、键角结构参数变化；

步骤三、得到缺陷引入前后，石墨烯体系能量变化，计算缺陷形成能，得到石墨烯表面功能化结构，建立纳米半导体CdS材料与石墨烯基复合的结构模型；

步骤四、半导体催化材料CdS继续采用团簇结构模型，根据能量最小化原则，采用模拟退火算法优化设计出CdS在功能化石墨烯衬底上的稳态吸附构型；

步骤五、通过半导体CdS材料结构及尺寸对吸附稳定性的影响，得到缺陷，覆盖度，吸附位，片层数、团簇尺寸等参数下的复合结构吸附规律，找出影响纳米结构CdS/Graphene复合材料稳定性的主要因素；

步骤六、得到石墨烯与半导体CdS复合材料相互作用机理，以实验规律为参考，确立材料纳米结构与稳定性和光电化学性能之间的构效关系的基本规律。

进一步，计算CdS/Graphene复合材料体系的电子结构，具体方法为：

步骤一、通过局域电子函数分布和自旋拓扑表征材料吸附前后的成键特征和局域自旋拓扑分布，从电子层面分析缺陷、杂质存在下复合材料结构特性；

步骤二、通过Mulliken电子布局，电荷密度，电荷迁移，总态密度、局域态密度和能带结构变化，得到碳石墨烯中π电子与半导体材料外层电子的相互作用规律，得到缺陷态对石墨烯基半导体复合材料电子结构影响；

步骤三、从电子结构和能带理论角度分析复合材料的高效光电活性。

进一步，得到复合材料催化还原H₂O反应机理，具体方法为：

步骤一、采用分子动力学方法实验室温下O₂,H₂O,H₂以及O在CdS/Graphene复合材料表面的吸附性能，确定其在CdS/Graphene复合材料表面的吸附最稳态；

步骤二、通过吸附能判断H₂O在复合材料表面发生还原反应的可能性；

步骤三、在复合材料表面实验H₂O还原反应机制，采用Nudged elastic band方法搜索过渡态，分析能量势垒，寻找H₂O催化还原生成H₂最佳反应路径，确立反应机制；

步骤四、分析反应过程中体系自旋极化的局域态密度特征。

本发明通过优化复合材料结构，模拟其表面催化还原H₂O生成H₂的反应过程，采用第一性原理的密度泛函理论和分子动力学仿真模拟方法，研究缺陷态石墨烯负载半导体催化剂CdS复合材料的结构与分解水制氢性能关系；揭示碳材料中π电子与CdS外层电子间的相互作用规律；从而揭示CdS-石墨烯复合材料高效催化机理，为开发新型高效催化材料奠定理论基础。

附图说明

图1是本发明实施例提供的石墨烯负载半导体CdS复合材料分解水性能模拟仿真方法流程图。

图2是本发明实施例提供的缺陷附近石墨烯晶体键长、键角结构图；以及半导体CdS材料与石墨烯基复合的结构模型。

图3是本发明实施例提供的缺陷附近石墨烯晶体键长、键角结构参数图；以及半导体CdS材料与石墨烯基复合的结构模型参数变化图。

图4是本发明实施例提供的缺陷附近石墨烯晶体电子结构模型图。

图5是本发明实施例提供的H₂O催化还原生成H₂能量反应势垒及过渡态能量图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

请参阅附图1：

一种石墨烯负载半导体CdS复合材料分解水性能模拟仿真方法，包括：

S101、优化石墨烯负载半导体CdS复合材料结构；

S102、模拟石墨烯负载半导体CdS复合材料表面催化还原H₂O生成H₂的反应过程；

S103、采用第一性原理的密度泛函理论和分子动力学仿真模拟方法，得到缺陷态石墨烯负载半导体催化剂CdS复合材料的结构与分解水制氢性能关系。

进一步，构建CdS/Graphene复合材料结构模型，获得材料稳态构型，具体方法为：

步骤一、采用经典周期性模型建立石墨烯二维蜂窝状晶体结构模型，考察缺陷、OH吸附、以及S、N分别取代C原子位掺杂，实现石墨烯表面的功能化；

步骤二、运用第一性原理的Kohn-Sham密度泛函理论，采用广义梯度近似(GGA)，优化出晶体的稳态结构，重点考察缺陷附近石墨烯晶体键长、键角结构参数变化；(如图2，图3)

步骤三、分析缺陷引入前后，石墨烯体系能量变化，计算缺陷形成能，得到石墨烯表面功能化结构，建立纳米半导体CdS材料与石墨烯基复合的结构模型；(如图2，图3)

步骤四、半导体催化材料CdS继续采用团簇结构模型，根据能量最小化原则，采用模拟退火算法优化设计出CdS在功能化石墨烯衬底上的稳态吸附构型；(如图2，图3)

步骤五、考察半导体CdS材料结构及尺寸对吸附稳定性的影响，阐明缺陷，覆盖度，吸附位，片层数、团簇尺寸等参数下的复合结构吸附规律，(如图2，图3)找出影响纳米结构CdS/Graphene复合材料稳定性的主要因素；

步骤六、揭示石墨烯与半导体CdS复合材料相互作用机理，以实验规律为参考，确立材料纳米结构与稳定性和光电化学性能之间的“构效关系”基本规律。

进一步，计算CdS/Graphene复合材料体系的电子结构，具体方法为：

通过局域电子函数(ELF)分布和自旋拓扑表征材料吸附前后的成键特征和局域自旋拓扑分布，从电子层面分析缺陷、杂质存在下复合材料结构特性；(如图4)

步骤二、通过Mulliken电子布局，电荷密度，电荷迁移，总态密度、局域态密度和能带结构变化，阐明碳石墨烯中π电子与半导体材料外层电子的相互作用规律，阐明缺陷态对石墨烯基半导体复合材料电子结构影响；(如图4)

步骤三、从电子结构和能带理论角度分析复合材料的高效光电活性。(如图4)

进一步，得到复合材料催化还原H₂O反应机理，具体方法为：

步骤一、采用分子动力学方法实验室温下O₂,H₂O,H₂以及O在CdS/Graphene复合材料表面的吸附性能，确定其在CdS/Graphene复合材料表面的吸附最稳态；

步骤二、通过吸附能判断H₂O在复合材料表面发生还原反应的可能性；

步骤三、在复合材料表面实验H₂O还原反应机制，采用Nudged elastic band(NEB)方法搜索过渡态，分析能量势垒，寻找H₂O催化还原生成H₂最佳反应路径，确立反应机制；(如图5)

步骤四、分析反应过程中体系自旋极化的局域态密度(LDOS)特征，深入探索复合材料高效催化反应机理。

本发明通过优化复合材料结构，模拟其表面催化还原H₂O生成H₂的反应过程，采用第一性原理的密度泛函理论和分子动力学仿真模拟方法，研究缺陷态石墨烯负载半导体催化剂CdS复合材料的结构与分解水制氢性能关系；揭示碳材料中π电子与CdS外层电子间的相互作用规律；从而揭示CdS-石墨烯复合材料高效催化机理，为开发新型高效催化材料奠定理论基础。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。