具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了实现在实验条件下进行二维材料表面吸附的计算，本发明采用在Win7操作系统下，在matlab(版本号7.13)平台并结合atomsk软件(化学领域的分子/原子建模)上进行二维材料的表面官能团的分布仿真建模，得到了一种计算实验条件下二维材料表面吸附多样性的系统。在本发明中，将实验条件下二维材料表面吸附多样性的计算系统简称为TDMSAS系统。用atomsk软件给被测对象提供二维材料的表面官能团信息。本发明TDMSAS系统通过采用高通量计算，可以减少耗时、高成本的实验，大大缩短新材料研发周期，对材料基因组计划(MGI)的进步与发展有着重要的作用。

高通量计算是整合了材料设计过程中的数据、代码、计算工具等以实现共享，从而加速新材料的研发。

在本发明中，二维材料表面吸附多样性生成模块用于在matlab软件中生成被测对象的二维材料表面混杂官能团吸附多样性的参数，并以文件形式输出。

在本发明中，二维材料表面吸附多样性生成模块输出的文件能够应用于材料基因组计划(MGI)。

参见图1所示，本发明的一种计算实验条件下二维材料表面吸附多样性的系统(TDMSAS系统)包括有预处理模块、表面官能团添加模块、结构驰豫化处理模块、二维材料结构类型选取模块和高通量计算模块。

预处理模块

预处理模块在TDMSAS系统初始化后用于设置被测对象所需的输入信息。

被测对象为二维材料Ti₂CT_n，所述Ti₂CT_n中T为氧元素O、氟元素F、或是氢氧根OH；下角标n为元素T的原子个数。比如Ti₂CO₂；比如Ti₂CF₂；比如Ti₂C(OH)₂。

输入信息至少需要有晶体结构、直角坐标系、原子总数、原子类型、超胞格子大小及各原子坐标。

二维材料结构类型选取模块

二维材料结构类型选取模块依据被测对象及实验环境，设置二维材料结构类型；

比如，二维材料Ti₂CT_n在氢氟酸溶液环境进行表面官能团的吸附多样性的计算。

表面官能团添加模块

表面官能团添加模块第一方面读取存储于atomsk软件中的已有数据库；第二方面依据二维材料结构类型添加匹配的官能团信息，得到待检测二维材料。

在本发明中，数据库是指包含有不同官能团比例下的二维材料数据。

结构驰豫化处理模块

结构驰豫化处理模块对待检测二维材料进行表面官能团的转换，转换后保存所有结构进行弛豫，计算得到对应的形成能。

在本发明提出的TDMSAS系统中进行二维材料表面吸附多样性的计算过程中，运用热力学计算二维材料在实验条件下最稳定的表面官能团比例的方法，并通过高通量第一性原理计算技术从而筛选出每个官能团比例下二维材料最稳定的表面构型。

在本发明中，以二维材料Ti₂CT_n在氢氟酸溶液环境为例。所述Ti₂CT_n中T为氧元素O、氟元素F、或是氢氧根OH；下角标n为元素T的原子个数。

当一个材料表面处于稳定状态时，这个表面在微观上不是静止不动的，而是处于一个不断吸附和脱附的动态平衡过程，所以应该首先用热力学分析的方法来确定使表面构型稳定的变化范围。

当二维材料Ti₂CT_n处于化学平衡的状态时，总能量可以与化学势建立起一定的联系为：

是二维材料Ti₂CT_n中碳化钛Ti₂C的化学势。

m是一个单胞中吸附官能团的数量。

μ是表面吸附的化学势。

μ_T是原子或分子官能团(元素T)的表面吸附的化学势。

E(Ti₂CT_n)是Ti₂CT_n的总能量。

在本发明中，需要说明的是，为了保证表面官能团存在一个稳定的变化范围，把Ti₂CT_n中Ti₂C看作是独立于Ti₂CT_n的一个整体。

由于溶液化学势μ_T与溶液环境中的离子浓度有关，所以确定化学势变化的界值是一个很重要的过程，因为这样不仅可以提供对实际体系上下限的估计，而且还可以在化学势μ_T的轴上提供一个具有明确定义的理论参考位点。例如Ti₂CO₂，当氧的化学势μ_O变的很低的时候，氧官能团就会变得不稳定，这对于其他所有种类的官能团也同样适用。官能团不稳定就会使Ti₂CT_n分解成裸露的Ti₂C和官能团对应的气体状态(O₂、F₂和/或O₂+H₂)这两部分，此时的这个二维材料Ti₂CT_n的化学势满足下列关系：

是二维材料Ti₂CT_n中碳化钛Ti₂C的化学势。

是μ_Ti2C的最大值，即最大化学势。

E(Ti₂C)是裸露Ti₂C的总能量；即Ti₂CT_n中Ti₂C化学势的最大值等于裸露Ti₂C的总能量。

结合公式(2)和公式(1)，得到对应官能团化学势的最小值min(μ_T)为：

另一方面，通过与公式(2)相同的方法，得到官能团化学势的最大值近似估计值max(μ_T)为：

E(T₂)是官能团处于对应的气体状态下的总能量，即O₂、F₂和/或O₂+H₂。也就是说官能团化学势的最大值等于对应气体状态总能量的一半。

在本发明中，二维材料Ti₂CT_n的吸附能，记为E_b：

m是一个单胞中吸附官能团的数量。

再结合官能团化学势的最大值(公式(3))和最小值(公式(4))，得到了一个使表面官能团稳定的化学势范围，即：

为了深入的探讨吸附各种不同官能团Ti₂CT_n的稳定性，所述Ti₂CT_n的形成能，记为E_f：

μ是表面吸附的化学势。

Δμ是气体作为参考态得到的表面吸附的化学势。

在本发明中，是将吸附原子或分子官能团(元素T)对应的气体作为参考态得到的官能团的化学势。

但是在实际情况下用气体作为参考态是不合适的，因为在Ti₂CT_n的制备过程中，表面是处于氢氟酸水溶液的环境中，这种条件下，可能会出现三种官能团(-O、-F和-OH)共存的情况。由于水分子的总能量可以写成化学势相加的形式E(H₂O)＝2Δμ_H+Δμ_O，得到水的形成能与化学势的联系，即：

E(H₂O)是一个孤立水分子的总能量。

E_f(H₂O)是水的形成能。

μ_H是氢的化学势。

Δμ_H是溶液中的氢的化学势。

μ_O是氧的化学势。

Δμ_O是溶液中的氧的化学势。

μ_F是氟的化学势。

Δμ_F是溶液中的氟的化学势。

μ_OH是氢氧根的化学势。

Δμ_OH是溶液中的氢氧根的化学势。

在本发明中，推导出在溶液中氧的化学势Δμ_O、氟的化学势Δμ_F和氢氧根的化学势Δμ_OH与氢的化学势Δμ_H成以下的反比关系：

Δμ_O＝E_f(H₂O)-2Δμ_H (9)

Δμ_F＝E_f(HF)-Δμ_H (10)

Δμ_OH＝E_f(H₂O)-Δμ_H (11)

与公式(6)同理，溶液中的氢的化学势Δμ_H的最大值等于0eV，并且通常视其为参考态。由于氢的化学势Δμ_H在溶液中不是独立的，而是与氧的化学势Δμ_O、氟的化学势Δμ_F和氢氧根的化学势Δμ_OH成反比关系，所以它的最小值可以通过计算溶液中的原子或分子官能团(元素T)的化学势Δμ_T的最大值得到，而Δμ_T的最大值是0，将Δμ_T＝0代入到公式(9)～(11)中，分别得到氢的化学势Δμ_H值的三组数据。通过比较这三个值，可以得到氢化学势Δμ_H的最小值，并进一步得到其共有的范围。

此外，为了将氢的化学势Δμ_H与pH值建立起一定的联系，将标准氢电极(溶液pH＝0，温度298K下1bar的气态H₂)设为参考态。所以当pH值等于零时，氢的化学势等于零。当溶液中pH值不为零时，氢的化学势Δμ_H可以通过下面公式得出：

Δμ_H＝G(pH)＝kTln[H⁺]＝-kTln10×pH (12)

G是吉布斯自由能。

k是玻尔兹曼常量。

这样可以得到任意pH值下对应的氢化学势Δμ_H。

在本发明中，由于每种比例下，混杂官能团在表面的排布结构可能不同从而出现不同构型的Ti₂CT₂。通过对每个氟氧比例下Ti₂CT₂的所有可能的结构进行枚举，采用本发明方法能够获得近300多种不同的结构。通过高通量筛选这些不同结构的能量之后，比较这些结构的能量，将每个比例中最低能量的结构当作这个比例下最稳定的结构，并用这个能量计算每个比例的形成能。最终绘制不同官能团比例下结构形成能－化学势的图，通过比较相同化学势下形成能的大小关系就能够得到最稳定的表面吸附构型。

高通量计算模块

高通量计算模块采用高通量计算方式建立二维材料在实验条件下的官能团形成能数据库，并筛选出实验条件下相同化学势范围内具有最低形成能的官能团的比例及构型。

在本发明中，高通量计算模块输出的二维材料在实验条件下的官能团形成能数据库，称为补充数据库。所述补充数据库会增加至atomsk软件的已有结构库中形成更新后的数据库。所述更新后的数据库将作为下一次运行TDMSAS系统时，被被测对象作为已有结构库调用。

本发明提供一种计算实验条件下二维材料表面吸附多样性的方法，所述方法流程如图1所示，具体实施包括如下步骤：

步骤一，分析二维材料的所处实验环境，建立表面官能团形成能与对应化学势的关系；

步骤二，对与每种不同官能团比例下的二维材料，将其表面混杂官能团枚举出所有不同的排列顺序，并保存每一个结构，得到携带官能团的待检测二维材料；

步骤三，对携带官能团的二维材料进行弛豫，计算得到对应的形成能；

步骤四，基于已有结构库，筛选出二维材料的结构库；通过高通量计算，建立二维材料在实验条件下的官能团形成能数据库，并筛选出实验条件下相同化学势范围内具有最低形成能的官能团的比例及构型。

经本发明方法建立得到的二维材料在实验条件下的官能团形成能数据库，称为补充数据库。所述补充数据库会增加至已有结构库中形成更新后的数据库。在进行下一次的二维材料表面吸附多样性的计算时，更新后的数据库则被成为已有结构库被被测对象调用。

在本发明中，步骤三具体实现过程如下：

步骤31，预处理：确定表面混杂官能团比例，从已有结构库中读取被测对象所需输入信息；

被测对象是指有确定名称的二维材料；比如Ti₂CO₂；比如Ti₂CF₂；比如Ti₂C(OH)₂；

输入信息至少需要有晶体结构、直角坐标系、原子总数、原子类型、超胞格子大小及各原子坐标；输入信息从atomsk软件中读取。

步骤32，判断被测对象是否为真空层足够厚且方向在z轴的二维材料；

如果是，转步骤33，否则进行结构优化；

如果不是二维材料，直接返回步骤31读取下一个结构文件；

如果z轴不是真空层的方向，调整基矢使真空层在z轴方向，转步骤33；

如果真空层厚度小于则增大真空层的大小，转步骤33。

所述的足够厚是指真空层厚度达到以上。

在本发明中，二维材料是指电子仅可在两个维度的1～100nm纳米尺度上自由平面运动的材料。

在本发明中，真空层是指在计算过程中建立二维材料模型时的面外方向。

步骤33，对该结构进行弛豫。为了保证真空层的厚度不变，垂直于二维材料的z方向的基矢不弛豫。

步骤34，更改表面官能团的排列顺序，并导入新的结构，重复步骤31至步骤33，直到所有结构输入完毕。计算并筛选出该官能团比例下形成能最低的二维材料。

步骤35，更改混杂表面官能团的比例，重复步骤31至步骤34，直到所有官能团比例计算完毕，比较并筛选出同一化学势下形成能最低的二维材料官能团比例。