电催化计算模型全解析｜从体材料到异质结的深度指南

在材料模拟中，选择合适的计算模型是确保结果可靠性的第一步。本文将系统解析电催化相关六大核心计算模型的结构特点、参数设置与典型应用场景，助你精准构建模型，高效推进研究！

一、体材料模型（Bulk）

1. 定义与结构

· 周期性三维重复的无限晶体，无真空层，晶胞为最小重复单元。

· 示例：金属铝（Al）、硅（Si）的立方晶胞。

2. 应用场景

· 计算晶格常数、弹性模量

· 能带结构、声子谱分析

· 热力学相稳定性研究

3. 建模要点

· 晶胞选择：从实验数据库（如ICSD）或Materials Project获取初始结构。

· K点密度：绝缘体/半导体4×4×4，金属8×8×8。

· 对称性优化：启用ISYM=2（默认）以加速计算。

二、表面模型（Slab）

1. 定义与结构

· 沿特定晶面（如(111)、(100)）切割块体，添加真空层（≥15 Å），固定底层原子模拟块体环境。

· 示例：Pt(111)表面催化CO氧化。

2. 应用场景

· 表面吸附能计算

· 催化反应过渡态搜索

· 表面重构现象研究

3. 建模要点

· 层数选择：≥4层原子（避免量子尺寸效应）。

· 真空层验证：检查静电势在中间区域是否平缓。

· K点设置：表面平面高密度（如9×9×1），真空方向k点=1。

三、分子/团簇模型（Molecule/Cluster）

1. 定义与结构

· 孤立分子或纳米团簇（如H₂O、C₆₀），包裹大真空层（≥20 Å）隔离周期性。

· 示例：H₂分子在石墨烯表面的吸附。

2. 应用场景

· 分子轨道能量计算

· 团簇电子激发态模拟

· 分子–表面相互作用分析

3. 建模要点

· 真空层厚度：确保分子间镜像距离≥10Å。

· 参数设置：ISIF=2仅优化原子位置，无需再考虑晶胞。

四、异质结/界面模型（Heterostructure/Interface）

1. 定义与结构

· 两种材料沿特定方向堆叠，界面处可能发生原子重构或电荷转移。

· 示例：MoS₂/Graphene垂直异质结。

2. 应用场景

· 界面肖特基势垒计算

· 电荷转移与能带对齐分析

· 异质结光吸收特性研究

3. 建模要点

· 晶格匹配：晶格常数差异（可通过应变调整）。

· 界面缓冲层：添加至少2层原子缓解界面应力。

五、缺陷模型（Defect Model）

1. 定义与结构

· 在特定超胞（Supercell）中引入点缺陷（空位、替位掺杂、间隙原子等）。

· 示例：镍体相中锰（Mn）掺杂超胞。

2. 应用场景

· 缺陷形成能计算

· 掺杂对电导率的影响

· 缺陷态电荷跃迁过程模拟

3. 建模要点

· 超胞尺寸：≥64原子（缺陷间距≥10 Å）。

· 参数设置：高精度k点（如3×3×3）与ENCUT=1.3×赝势推荐值。

六、二维材料模型（2D Material）

1. 定义与结构

· 单层或少层结构（如石墨烯、h-BN），真空层≥20 Å消除层间耦合。

· 示例：单层石墨烯电子输运性质计算。

2. 应用场景

· 二维材料载流子迁移率计算

· 层间激子效应研究

· 应力调控电子结构分析

3. 建模要点

· 真空层方向：非周期方向（z轴）k点=1。

· 晶胞优化：设置ISIF=3并且固定z轴晶胞参数。

七、模型选择与参数对照表