一維硫化鉬納米線材料第一性原理計算分析

史衛梅

摘要：將第一性原理作為基礎的密度泛函理論能夠探索合理新型材料，通過尺寸角度對結構進行確定，實現性能良好新型材料的設計。材料理論計算能夠測試合成新材料，應用到實際工業中。目前所面臨的問題就是化石燃料消耗，所以要使用清潔可持續綠色能源電化學反應能夠轉換化學能與電能。在電化學水解過程中要求使用催化劑使反應阻力提高，使用第一性原理計算，全面分析低維納米材料的表面催化水解性質，實現低成本、高活性的納米構型水解催化劑的設計。

關鍵詞：一維硫化鉬納米線;第一性原理;密度泛函理論

新材料為促進人類社會發展主要物質力量，也是新技術開發的基礎。在現代社會中，新材料技術朝著智能化、復合化、功能化的方向發展，信息功能材料、高分子材料、半導體納米材料、生物材料等最為活躍。納米材料具有獨特的構型，在催化劑材料研究過程中廣泛使用。研究納米材料技術提高了低維新型功能材料表面活性催化活動研究頻率，對于加深人們對催化反應機理的理解具有重要意義。以此，本文就對一維硫化鉬納米線材料的第一性原理計算進行分析。

1計算方法

在創建模型過程中，避免相鄰的1D Mo2S5納米線作用，設置x與y方向的晶格長度為15A。本文利用MS軟件CASTP中phonopy模塊進行計算，得出1D Mo2S5納米線聲子譜。利用第一性原理方法對1D Mo2S5納米線其他性質進行測試，利用椎加平面波方法PAW與凍核近似對體系中的原子核和電子作用進行全面描述。在計算1D Mo2ss納米線電子結構時，純DEF計算方法會低估半導體帶隙寬度，通過HSE06泛函對電子結構進行計算，接近實驗值，所以電子結構性質為HSE06。將Bohn-Oppenheimer分子動力學模擬（BOMD）作為一維1D Mo2S5納米線原子，以周期性方向使晶胞能夠放大十倍，設置恒物質體系，設置步長為1fs，設置模擬步長為500步。

2結果和討論

一維尺寸作為過渡金屬硫族化合物納米結構，材料邊緣部位具備量子效應和密度局域變化，也就是通過降維手段對納米結構進行調控，利用過渡金屬硫族化合物改變電子性質。1D Mo2S5納米線具有良好的催化作用，并且其特殊結構會提高機械應力，比熱容與循環穩定效率比較高，值得深入的研究。

2.1平均結合能

對1D Mo2S5納米線鏈狀與管樁結構平均結合能進行研究，并且對其相對穩定性進行分析。圖1為平均結合能和單元數n的關系，通過圖1表示，平均結合能1NL與2NL根據單元數n不斷增加而減少，增加其穩定性，兩端為羥基結構相反。1NLW與3NTW并沒有具備完全配位飽和的納米結構雖然在n增加穩定性相對降低，但是還是比兩端都是0的就結構穩定，表示鏈狀終端為最強反應活性區域。3MR管狀結構比較穩定，主要是由于管狀結構中具備穩定硅癢四面體方式，提高了其穩定性。全部系列平均結合能都在單元數增加過程中不斷收斂。

2.2能隙

為了對電子結構與反應活性進行研究，對鏈狀與管狀結構最高占據軌道與最低末占據軌道的能隙Eg進行分析。圖2為結構能隙的變化關系，和平均結合能變化趨勢相同，能隙在n不斷增加的過程中為單調變化，而且變化幅度在不斷的縮小。總而言之，完全配位飽和鏈狀與管狀結構能隙比兩端為0鏈狀能隙要大。3NTW能隙是最大的，處于8.0-8.5eV之間。另外，1NLW與3NTW的能隙具有明顯的尺寸效應依賴關系。在n>14的時候，1NL與2NL能隙變化幅度在不斷的增加，能隙逐漸和常數接近。兩端為羥基的1NLW與3NTW能隙在計算長度范圍中無法趨于長度。能隙和1/n為線性關系，擬合得出函數關系為：

R指的是相關系數，R和1越接近，表示曲線擬合效果更好。在n不斷增加的過程中，1NLW能隙不斷縮小，2NL相反。在納米線長度不斷增加的過程中，能隙也不會出現改變，禁帶寬度比較穩定。在計算范圍中能隙變化幅度沒有縮小，也沒有穩定禁帶關系。表示長度變長之后鏈狀結構化學反應活性不會改變，管狀結構反應活性不斷增強，但是還比鏈狀結構活性要弱。

2.3力學性質

針對一維納米線結構，機械性能尤為重要，利用以下公式對1D Mo2S5納米線彈性模量進行計算：

公式中的C為彈性模量，E指的是體系單胞自洽能量。將z軸放方向晶格L指的是自變量，對于1D Mo2S5納米線單胞能量作為二階偏導數，和基態長度L0相乘，不會改變x與y中的晶格長度，z軸方向晶格長度收縮比例為±0.2%、±0.4%、±0.6%、±0.8%、±1%。得到能量和△L/L的關系，詳見圖2。通過DFT計算，得到1D Mo2S5納米線彈性模量值為21.33eV/A，說明1D Mo2S5納米線納米線比較柔軟，抵抗形變能力比較弱。

2.4電子性質

在計算1D Mo2S5納米線電子結構時，通過PBE方法對1D Mo2S5納米線帶圖進行計算，此納米線為直接帶隙半導體，寬度為0.83eV。1D Mo2S5納米線分波態勢密度圖支持能帶圖。因為1D Mo2S5納米線電子中的相互作用會導致出現誤差，純DFT計算電子結構會的低估體系能帶寬度，通過HSE06方法能夠計算1D Mo2S5納米線納米線帶隙。對比PBE計算結果，HSE06在對1D Mo2S5納米線進行計算的過程中會增加帶隙寬度，和單層2H Mo2S5納米線間接帶隙寬度比較接近。

3結束語

通過本文研究表示，納米材料和傳統材料對比具有特殊性質，此特性包括比表面積與尺寸效應。優化材料結構，對不同結構自洽能量對比，選擇額最低能量，使其成為1D Mo2S5納米線最有構型。通過測試結果表示，1D Mo2S5納米線較為柔軟，抵抗形變能力比較弱，相對于1D Mo2S5納米線其他催化位點和0eV更加接近，1D Mo2S5納米線的研究在今后會備受關注，并且在HER方面的潛在應用價值不斷提高。

參考文獻

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王偉智， 徐雅飛. 一種片層堆積的一維二硫化鉬納米材料及其制備方法.

基金信息：成都職業技術學院院級科研平臺，19KYPT01