纳米多孔金属的力电化学耦合行为的理论研究

Nanoporous materials have open porous structure, nano-scale size, large volume-surface area and tunable ligament size.Nanoporous materials can be used as catalysts, sensors, actuators, filters and electrochemical catalysts. Nanoporous structure evolution and the quantitative analysis of characteristics of the structure size have an important significance for understanding the corrosion mechanism and deformation mechanism of nanoporous metal, so as to accurately control the mechanical properties. Mechanical properties such as strength, elastic modulus of Nanoporous metals can be controled by electrochemical method, which can be used as an electrochemical actuators and developed into a new type of multifunctional nanomaterials. To establish the nonlinear Mechanical-electrochemical Coupling thermodynamic model, will accurately control the mechanical properties and provide theoretical guidance of development of new multifunctional nano materials. In this project, Molecular dynamics method and the first-principles calculations are used to study nanowires deformation due to surface stress and strain. In the framework of deep learning, through the image feature extraction and modeling of machine learning, to study the structure of the nanoporous gold size and mechanical behavior of relationship, and to establish the structure of the nanoporous gold coupled thermodynamic model.

以纳米多孔金为代表的的纳米多孔金属材料，具有纳米尺度的开放多孔结构、纳米尺度的韧带结构尺寸以及极大的比表面积，使得在催化、驱动、传感等很多领域中有重要的应用。纳米多孔金属的强度、弹性模量等力学性能可以通过电化学驱动的方法进行调控，从而可以作为电化学驱动器件并发展成为一种新型的多功能纳米材料。那么建立纳米多孔金属的非线性力-电-化学耦合热力学模型，将为纳米多孔金属结构和性能的精确调控并发展新型多功能纳米材料提供理论指导。本项目采用分子动力学方法和第一性原理计算研究由于表面应力导致的纳米线应变规律以及吸附对于表面应力的影响。在深度学习的框架下，通过图像特征提取与机器学习建模，来研究纳米多孔金的结构尺寸与力学行为的关系，并建立纳米多孔金属的非线性力-电-化学耦合热力学模型。

本项目通过原子力显微镜研究了纳米多孔金属的表面和电化学性质，并且利用自动阈值技术、全卷积神经网络、Sobel算子边缘检测法和图像识别等方法，系统的研究了纳米多孔金属的表面形貌的演化过程及结构特征参数精确表征，从而指导纳米多孔金属材料的可调控制备与性能优化。本项目取得的主要研究成果如下：.1、脱合金腐蚀制备得到的纳米多孔金表面存在多种半导体氧化产物（p-型半导体特性氧化产物Ag2O和n-型半导体特性的氧化产物AgO），表面氧化层的存在能够有效抑制纳米多孔结构的粗化。.2、脱合金腐蚀制备得到的纳米多孔金可以通过高温退火的方法来进行多孔结构的调控，测量得到高温粗化过程中活性能约为100 kJ/mol，证明了高温粗化过程是由表面扩散控制而非体扩散控制。.3、纳米多孔金在不同的退火温度下韧带尺寸分布和孔径尺寸分布具有相似的特征，随着退火温度的增加，分布曲线逐渐从对数分布变化为向高斯分布。随着退火温度的增加韧带尺寸和孔径尺寸的分布范围都在增加，韧带尺寸的增长速率明显大于孔径尺寸的增长速率。.4、通过分子动力学研究了半径为2nm、并且将Pt原子通过三种不同掺杂方式（随机掺杂、核心掺杂和表层掺杂）掺杂于Au团簇所得到的Au0.95Pt0.05团簇的熔化过程，发现随着掺杂位置的不同，会对团簇的熔点有很大的影响，当Pt原子掺杂方式为核心掺杂时，熔点最低，当掺杂方式为表层掺杂时，熔点最高，当掺杂方式为随机掺杂时，熔点介于两者之间。.5、探究了不同尺寸下的Au0.95Pt0.05团簇熔点，发现当半径介于1.5~3nm时，团簇熔点基本随尺寸增大而增大，但是当团簇尺寸为1nm时，产生了反常尺寸效应，使得其熔点异常的高。Au0.95Pt0.05团簇降温凝固后Pt原子优先聚集在团簇的次表面层，随着Pt原子含量的增加，最终会形成一个“核壳”状的团簇，Pt原子分布在团簇的内部，团簇的表层全部由Au原子包围着。