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中级班线下课程内容第一部分 第一性原理计算(初级班)快速回顾DFT+U设置与线性响应法拟合U值,HSE杂化泛函设置,vdW校正设置DFT-D和vdW-DF,泛函对吸附能影响,RPA的设置方法,RPA精确计算表面吸附能。磁性体系的设置技巧,NPAR/KPAR提升计算速度的技巧,CPU和GPU加速版本VASP的编译和使用,VASP的各种插件的编译(VTST,OPTCELL,VASPSOL,NBO/SSADNDP,Wannier等)。
第二部分 电子结构分析态密度和能带形成的基本理论,案例分析(单原子催化剂,表面离子缺陷态,表面态,d带中心,催化吸附的轨道相互作用模型),态密度计算方法,p4vasp 和 VASPKIT 后处理分析,态密度的积分,pymatgen 自动画态密度图,K点选取和 IEAR对态密度计算影响,DOSCAR详解,过渡金属的d带中心理论,N2分子和表面团簇催化剂的轨道相互作用模型分析。轨道相互作用基础知识,载体和吸附分子态密度作用分析,CO/Ni,N2/Fe3催化剂的轨道相互作用模型分析。
电荷密度和原子电荷CHCGAR等格点文件格式,自旋电荷密度分析,VESTA 作等值面图,二维切面图。VASPKIT处理电荷密度文件,电荷密度差分,分子 CO,N2吸附前后的电荷密度差,石墨烯插锂前后的电荷密度差;变形电荷密度;外场下的电荷密度差;平面平均的电荷密度差。Partial charge density 计算方法流程,实空间波函数提取,提取分子轨道图,绘制 VBM 和 CBM 的电荷密度/波函数,绘制缺陷态/隙间态的电荷密度/波函数,研究激发电子的分布,STM计算和 Partial Charge Density 对应关系,STM “针尖偏压” 和 “恒定高度”模拟。Bader电荷计算, AIM(atom-in-molecule)电荷划分方法,按照原子电荷着色的结构图。
ELF、静电势和功函静电势
功函数概念和计算方法,异质结静电势,静电势分析表面负载团簇的电子流向,分子表面或载体表面静电势分布,受阻路易斯酸碱对。电子定域化函数(ELF),ELF 研究表面催化反应过渡态、电子化合物、缺陷态、分子团簇、吸附分子。
COOP、COHP
晶体轨道重叠布居 COOP 和晶体轨道哈密顿布居 COHP 基本原理,文献案例:单原子催化模型/电催化模型/高压材料/磁性材料/镧硼新材料等COHP分析。Lobster计算COOP和 COHP,Wxdragon使用,计算 COHP的注意事项,lobsterin 输入文件,投影到基组的类型,Spilling 误差,指定原子对,指定距离范围,高斯展宽,打印 Mulliken and Löwdin 电荷,Lobster 计算重启,输出轨道的实空间轨道(PAW 或 LCAO)数据。Lobster 计算实例:金刚石,CO/Ni,孤立 CO 分子。
periodic NBO、SSAdNDP
电子定域化方法简介 NBO 和 Periodic NBO 概述,NBO 和 Periodic NBO 程序介绍,提取单中心,双中心的 NBO。NPA (Natural Population Analysis) 电荷,Periodic NBO 程序编译,投影程序的编译 projection.exe,basisp高斯基组文件准备,平面波基组到高斯基组的投影方法,EMSL基组库使用。实例:晶体Si的NBO计算, NBO轨道绘制和 NBO计算结果分析。实例: CO/Ni(100) 吸附模型的NBO分析。AdNDP,NBO方法的局限性,多中心化学键,AdNDP计算流程,ssAdNDP 编译,ssAdNDP应用实例 2D Borphene,2D 硼金属材料,Be5C2,Cu2Si,ssAdNDP 的搜索技巧,原文还原:硼墨烯的多中心键研究。
第三部分 CP2K与从头算分子动力学CP2K 编译/tools/toolchain方法,预编译版本。
CP2K经典文章介绍,CP2K的使用,CP2K 输入文件,p 文件格式,CP2K计算原理和重要关键词详解,CP2K输出文件,CP2K基组,赝势,坐标读入,基组重叠误差,OT 和 Diag 对比,结构优化和实例练习,Cu(111) + 46H2O 结构优化与 AIMD,建立固液界面模型方法,复杂催化体系表面的优化。DFT+U,杂化泛函,磁性排列,范德华校正等参数的设置。
VASP与CP2K从头算分子动力学模拟:AIMD 计算基本流程,相空间,系综,宏观量的计算,牛顿运动方程,速度形式的 Verlet 算法,AIMD模拟的关键参数,AIMD模拟时间步长的选择,AIMD 模拟参数测试,AIMD 的重复性问题,Energy drift 问题,周期性边界条件,动能与温度,控温技术与热浴,速度调节法,Anderson 热浴,Nosé–Hoover 热浴,模拟退火, AIMD 的计算参数详解。轨迹文件的简化和可视化,VMD 的简单使用,AIMD 的后处理,键长键角跟踪,能量与温度涨落,径向分布函数,亥姆霍兹自由能路径计算,均方位移,扩散常数,速度自相关函数,红外光谱,固液界面平均静电势计算,引入电极电势对固液界面的影响。锂离子电池的动力学模拟。
自由度限制的AIMD:Potential of mean force,blue-moon/Slow-growth 方法计算自由能势能面。Metadynamics 方法。高斯势函数的参数技巧,数据后处理,一维二维自由能势能面绘制方法。
第四部分 表面催化反应热力学和动力学表面热力学
原子堆积方式,FCC、HCP、BCC,Miller 指数,高 miller 指数晶面与台阶面,表面弛豫与重构,对称和非对称的 slab 模型,表面能计算,金属表面能和功函数据库,原子坐标固定,纳米颗粒的结构和表面能关系,Wulff construction 构建,纳米催化中的晶面效应。吸附类型(化学吸附、物理吸附、解离吸附),吸附能计算,吸附位点,吸附计算注意事项,吸附物种间的相互作用,覆盖度,平均吸附能。化学平衡,表面吸附平衡,Langmuir 吸附等温式与前提假设,熵变对吸附的影响,覆盖度和温度/压力/吸附能关系计算,多组分气体吸附平衡,催化剂中毒微观原理,表面化学势的计算与表面热稳定性计算,催化剂中毒常见案例。表面催化热力学计算研究思路。表面缺陷态的稳定性。
过渡态搜索
过渡态判据,无过渡态反应类型,寻找过渡态方法综述,chain-of-states 搜索方法和原理,传统 PEB 方法(plainelastic band)方法遇到的问题,NEB 中 nudge 过程原理,Climbing Image 原理,判断插点个数,插点方法,判断插点合理性,CINEB 的 INCAR 关键词和计算方法,VTST 优化算法解析,nebresults.pl,nebbarrier.pl, nebspline.pl, nebef.pl 等 VTST 脚本,neb.dat、spline.dat、exts.dat、mep.eps 文件自动判断NEB路径上的极值点,Dimer 方法原理,选择 Dimer,平移 Dimer 过程,Dimer 发展历史,Dimer 的 INCAR 关键词和计算方法, MODECAR 生成,DIMCAR、CENTCAR 和 NEWMODECAR 解读,生成 DIMER 方向 movie 预判过渡态计算是否成功,VTST 过渡态计算收敛判断,过渡态搜索常见问题和解决方案。扩散系数与离子电导计算。NEB+Dimer 高效搜索过渡态。NEB 计算线性插点的问题,IDPP 插点原理,使用 pymatgen-diffusion 和 pymatgen 做 IDPP 非线型插点。
频率计算与热力学数据计算
Hessian 矩阵,力常数矩阵对角化,孤立和吸附分子振动区别,零点振动能,有限位移频率计算,Jmol 观察振动,振动数据提取和分析。系综配分函数,分子配分函数,热力学量与配分函数的关系,内能、亥姆霍兹自由能、焓、吉布斯自由能、熵、等容热容、等压热容,理想气体假设,能量成分的拆分,平动、转动、振动、电子跃迁的配分函数,和其对各种热力学量的贡献计算,振动频率、温度和熵的关系,0K 热力学数据校正计算,实际温度热力学数据校正计算,VASPKIT 计算吸附分子热力学量,吸附分子和孤立分子的热力学量计算区别。气体分子的自由能校正,查实验数据热力学表 JANAF-NIST,VASPKIT计算孤立分子热力学量。
化学反应速率常数计算
基元反应,单分子多分子基元反应速率方程,稳态平衡和速率方程关系,反应速率常数计算,Arrhenius equation,eyring equation,指前因子计算,表观活化能拟合,过渡态理论,准平衡态假设,过渡态络合物,透热系数,Recrossing 问题,判断基元反应是否容易发生,Eyring 过渡态理论的局限性,ΔGa/温度/反应速率常数 k 之间的关系,半衰期,谐振过渡态理论 HTST 公式,吸附和脱附步骤反应速率,Knudsen-Langmuir equation,隧穿效应,Wigner 方法计算透热系数。
催化反应机理
Langmuir-Hinshelwood (LH) mechanism,Eley-Rideal (ER) mechanism,Mars-Van Krevelen (MvK) mechanism,及其速率方程组。LH 实例合成氨反应,ER 实例Volmer-Heyrovsky HER,MvK 实例低温 CO 氧化反应。催化循环和总包反应能量。
微观动力学模拟简介
TOF(Turnover frequency),TON(Turnover number),微观动力学模拟,稳态近似,平均场近似,联立和求解微分方程组,CatMap 的使用,CatMap 输入文件,形成能的计算,shomate_gas,绘制速率-温度/压力图,输出覆盖度图,提取自由能势能面,绘制吸附能火山曲线,定义 linear scaling,拟合 BEP 关系线。决速步和决速态理论决速步,决速步理论推导出解析的 TOF 的表达式,温度/分压对 TOF 影响,k 表象,E 表象,决速态,TOF-determiningtransition state (TDTS),TOF-determining intermediate (TDI)。
BEP 和火山曲线
BEP 关系,甲烷 C-H 活化/NO 分解等催化反应中的 BEP 关系,BEP 关系注意事项,截距和斜率规律。BEP 关系最新拓展:配位数,d 带中心,态密度,费米能级,电离能,功函等等的线性规律。
高通量计算与机器学习
Materials project 数据库API使用和批量获取结构方法。Pymatgen 简介,自动化表面切割,自动生成表面吸附结构,自动绘制能带结构,态密度图,稳定性相图。
第四部分 电催化计算(VASPsol与JDFTx)计算电催化基础:ORR、OER、HER、CO2RR、NRR反应机理,CHE模型计算台阶图,计算过电势,pH值校正,电催化分子自由能校正,基元步骤自由能,OER 实例,光催化基础,Band Edge位置计算。
进阶电催化计算:传统计算模型缺陷,“双电层”理论,Gouy-Chapman 模型,零电荷电势 potential of zerocharge (PZC),显式/隐式溶剂模型流派和代表文献,连续介质模型,VASPsol 使用方法和实例练习,VASPsol的恒电势计算。
JDFTx 编译安装,JDFTx 学习方法,JDFTx 输入输出文件结构,单点能计算 文件,几何优化文件,频率计算 文件,CANDLE溶剂化模型,表面模型计算+溶剂化+电极电势计算,charge-neutral method vs constant-potential method,配合JDFTx恒电势精确计算电催化模型常用方法。溶剂和电极电势对二维材料电催化的影响。显式溶剂模型+AIMD处理电催化界面方法(AIMD部分讲解)
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