多孔石墨烯衍生材料的第一性原理研究(5)
2.2.2 VASP
VASP是Vienna Ab-initio Simulation Package的缩写,是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学和分子动力学计算的软件包。VASP中的方法是基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法中存在的一些问题，因为后者是基于电子和离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用用超软Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。这两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。
在VASP计算中，输入文件有四个：INCAR，POSCAR，POTCAR，KPOINTS。得到主要的输出文件有CONTCAR，OUTCAR以及output等。其中POSCAR输入文件是用于描述初始结构的信息，包括基矢、晶格常数、各个原子位置坐标等。KPOINTS文件则是用于设置布里渊区K点取样，即K点的设置。INCAR文件主要用于设置计算参数，包括迭代收敛精度、平面波截断能、弛豫以及量子计算所采用的函数等。
3 计算及结果分析
3．1 计算参数设置及计算结果处理
在研究气体分子对于氮和硼掺杂的多孔石墨烯的透过时，密度泛函理论计算采用广义梯度近似(GGA)，并使用PW91函数和投影平面波基方法[26]，这些都内含于VASP软件包中[27]。为了保证高精度，布里渊区的Monkhorst-Pack k点取样为7×7×1，且截断能设置为500eV，能量收敛标准为10−5 eV。所有结构均弛豫到每个原子所受到的Hellmann-Feynman力小于10−3 eV/Å为止。多孔石墨烯层与层之间的间距设置为18 Å，以避免层之间的相互作用。对于寻找气体分子透过多孔石墨烯的孔径的过渡态，使用的是爬坡算法[28]。
在构建的所有类型的多孔纳米管结构中，管与管之间的间距设置在10 Å以上，以避免管与管之间的相互影响。在计算衍生多孔纳米管的能带带隙时，密度泛函理论计算采用局域密度近似(LDA)，K点取样为1×1×8，且精度为Accurate。而在计算多孔纳米管的储氢性能时，则采用GGA算法，K点取为1×1×8，精度设置为Accurate。无论是LDA优化还是GGA优化，能量收敛标准均为10−5 eV，且所有结构均弛豫到每个原子所受到的Hellmann-Feynman力小于2×10−2 eV/Å为止。
利用VASP进行优化计算，可以得到体系的基态能量。在研究多孔碳纳米管的卷曲效应时，是将Ca原子吸附到管上，然后再以Ca原子为媒介去吸附氢气分子。以下阐述计算结果的处理。
体系对于Ca的结合能的 定义为:
公式中， , , 分别指Ca原子吸附在多孔碳纳米管上优化后得到的体系的总能量、多孔碳纳米管的单点能和Ca原子的单点能。
体系吸附上Ca后，氢分子的平均结合能 定义为:
(3-2)
公式中， , , 分别指氢分子吸附在Ca修饰的多孔碳纳米管上优化后体系的总能量、Ca修饰的多孔碳纳米管的单点能和氢分子的单点能[29]。公式中n代表所吸附氢分子的个数。
3．2 氮和硼取代的多孔石墨烯对气体分子的过滤
对于这一部分内容，我们的工作的核心是利用氮和硼原子取代多孔石墨烯芳香环上的碳原子，以实现对多孔石墨烯的孔的孔径大小的调控，从而希望进一步改善没有取代时的多孔石墨烯的氢气过滤性能。
表1：多孔石墨烯(PG)、硼取代多孔石墨烯(nB-PG)和氮取代多孔石墨烯(nN-PG)的结构图（灰色为C原子，白色为H原子，粉色为B原子，蓝色为N原子）以及优化后的晶格常数(a)和键长(dXH)。
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