[发明专利]一种水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算方法

说明书

本发明公开了一种水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算方法，该方法包括：首先通过软件建模构建合理的表面模型，在表面模型中掺入稀土元素，然后在掺杂后的表面模型上吸附水分子，通过第一性原理计算的方法计算吸附能，确定水分子最佳的吸附位点，再运用分子动力学计算水分子随温度升高吸附能以及吸附位点的变化。最后通过电子性能计算解析水分子吸附后电子的转移以及表面成键情况的变化。本发明从计算的角度来研究水分子在稀土元素掺杂铁表面的吸附情况，为研究水分子吸附在金属表面对金属性能的影响提供了数据基础，进而从根本上阐明腐蚀的机理，为解决钢铁材料的腐蚀性问题奠定了基础。

技术领域

本发明涉及水分子在金属表面的吸附性能计算技术领域，尤其涉及一种水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算方法。

背景技术

水分子在金属表面的吸附在研究金属的催化和腐蚀时起着关键作用。长久以来，钢铁材料已经深深的融入人们的各种生活场景，是运用最为广泛的金属材料。

但钢铁材料的腐蚀问题却始终没能得到很好的解决，为此，研究人员进行了大量的探索，通过表面涂层、合金化增强耐蚀性等方法在一定程度上提升了钢铁材料的耐蚀性能，但是效果也极其有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算方法，通过对水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算，研究水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附情况，从根本上阐明腐蚀的机理，解决钢铁材料的腐蚀性问题。

本发明采用以下方案实现：

本发明提供了一种水分子在稀土元素掺杂铁表面吸附性能计算方法，所述方法包括：

建立金属铁的晶体单胞结构，对单胞的晶格参数进行优化，获得稳定单胞的晶格参数；

基于稳定单胞，建立待计算表面的结构模型，并采用第一性原理计算的方法计算表面能；

优化水分子的结构，将优化后的水分子添加到铁表面模型表面层上方一定高度的位置处，并进行结构优化，找到最佳吸附位点，计算吸附能；

在表面模型中掺杂稀土元素，得到掺杂后的铁晶胞结构，将优化后的水分子添加铁晶胞结构表面上方一定高度的位置处，并进行结构优化，找到最佳吸附位点，计算吸附能；

基于掺杂后的最终吸附模型，结合分子动力学方法，计算水分子随温度升高吸附能以及吸附位点的变化；

通过电子性能计算解析水分子吸附后电子的转移以及表面成键情况的变化。

进一步地，所述表面能的计算公式为：

E_surf＝(E_slab–nE_bulk)/2A；

其中，E_surf是表面能，E_slab是表面模型的总能量，E_bulk是铁单胞单个原子的能量，n的值等于表面模型的总原子数，A是所研究模型表面的表面积。

进一步地，所述吸附能的计算公式为：

E_ad＝E_total–E_slab–E_H2O，

其中，E_ad是吸附能，E_total是吸附体系的总能量，E_slab是表面模型的总能量，E_H2O是单个水分子的能量。

进一步地，结合分子动力学方法，计算水分子随温度升高吸附能以及吸附位点的变化，包括：在100K、300K、450K温度下，利用Materials Studio软件性进行分子动力学计算，观察水分子随着温度变化在表面吸附情况的变化。