砷铁化合物真空热分解的从头算分子动力学模拟

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空冶金国家工程实验室 作者:段少飞

  为研究砷铁渣中化合物真空下热分解的机理,对砷铁渣中FeAs、FeAs2进行真空条件下热分解的热力学计算,得到它们在1463 K,30 Pa 的条件下可能发生的分解反应。采用基于密度泛函理论的平面波赝势法计算得到FeAs 和FeAs2的稳定结构。并用从头算分子动力学的方法模拟了它们在1463 K, 30 Pa 的条件下的热分解过程。采用B3LYP 杂化泛函计算了As2、As3、As4分子的稳定结构,并用二次同步转变的方法计算了气态As 分子之间反应的过渡态。计算结果表明,在模拟条件下砷的脱除可能分步进行,并且更倾向于以As2的形式分离出去。

  粗锡火法精炼采用熔析法、凝析法产生大量砷铁渣,工业上采取返回熔炼的方法处理,造成As 在冶炼工艺中循环,降低了生产效率和锡的回收率。对砷铁渣进行真空处理的方法可以使得As 在工艺中有效开路。

  戴永年、陈枫等对砷铁渣的真空蒸馏进行了相关的实验,研究了脱砷的最佳实验条件。张彬等研究了As-Fe-Sn 三元合金的真空蒸馏,得出了不同温度和压力条件下砷的挥发形式。熊玉伦等采用真空蒸馏的方法处理锡铁合金。对FeAs 和FeAs2的计算机模拟方面,Dobysheva. L. V 等计算了FeAs 的晶体结构和电子结构,Ohno M 等计算了FeAs2的晶体结构和电子结构。而针对Asn的结构参数以及性质,在实验和理论计算方面都有较多研究。

  本文对Fe-As 化合物在真空条件下热分解进行了热力学和从头算分子动力学模拟。并采用理论计算的方法计算了气态As 分子的结构,及其之间反应的过渡态。

  1、计算方法

  1.1、热力学计算方法

  热力学计算采用HSCchemistry 5.1 软件得到标准状态下化合物分解的吉布斯能,然后用吉布斯自由能函数法计算了分解反应在30 Pa 下的吉布斯能。通过热力学计算得到砷铁化合物真空下热分解的ΔG-T 图。

  1.2、计算机模拟方法

  对FeAs 和FeAs2的结构计算采用Material Studio软件包的CASTEP 模块,应用密度泛函(DFT) 理论中的广义梯度近似GGA-PBE 近似,k 点设置2 × 2 ×3,energy cutoff 设置为280 eV,从头算分子动力学模拟选择NPT 系综,采用Andersen 控压方法及Nosé 控温方法,压力设置为30 Pa,温度设置为1463 K,模拟时间设置为1 ps。

  对As 气态分子的计算采用Dmol3 模块,选用B3LYP 杂化泛函,首先根据实验数据搭建As1、As2、As3、As4分子,进行结构优化,在结构优化的基础上添加As原子作为反应物,经过结构优化后进行过渡态搜寻,选用二次同步转变(QST, quadratic synchronous transit) 的方法,最后根据模拟结果计算反应活化能Ea。

  3、结论

  本文对FeAs2和FeAs 的热分解进行了热力学及计算机模拟,结果表明:

  (1) 经过动力学模拟,从晶胞结构变化来看砷铁化合物中都有Fe-As 键的断裂和As-As 键的生成,态密度计算结果表明,在动力学模拟后,Fe-As 键整体上呈削弱趋势,但电荷密度的计算结果表明其中仍然存在部分较强的Fe-As 键。

  (2) FeAs2和FeAs 晶胞经过动力学模拟后都出现了类似As-As 的结构,其中FeAs2动力学模拟后产生了较强的As-As 共价键。

  (3) 在模拟的实验条件(1463 K, 30 Pa) 下,脱砷反应是分步进行的,FeAs、FeAs2的热分解应以As2分子的形式脱除。

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