Multiskalen Sampling einer heterogenen Wasser/Metall Katalysator Schnittstelle mittels Dichtefunktionaltheorie und Kraftfeld Molecular Dynamics

Die Protokollmodelle, thermischeund Quantenphänomene in der heterogenen Katalyse der Flüssigkeitsphase. Es ist nach unserem Wissen die erste, die Quantenmechanik mit vollständiger Probenahme einer expliziten flüssigen Umgebung integriert. Konfigurationen von flüssigen Molekülen, die aus diesem Protokoll generiert werden, stellen die unter tatsächlichen Reaktionsbedingungen erwarteten dar und können verwendet werden, um Phänomene auf molekularer Ebene zu erforschen, die von der räumlichen Anordnung von Molekülen abhängen.

Die Konfigurationen flüssiger Moleküle, die durch dieses Protokoll erzeugt werden, geben Einblick in die Rolle, die Lösungsmittel bei der heterogenen Katalyse der flüssigen Phase spielen. Wenn Sie dieses Protokoll zum ersten Mal ausprobieren, empfehle ich Ihnen, zunächst sicherzustellen, dass Sie Zugriff auf die VASP-, MCPliQ-, VMD- und LAMMPS-Software haben und diese ausführen können. Demonstriert wird das Verfahren von Tianjun Xie, einem Doktoranden aus meinem Labor.

Nach dem Generieren der Adsorbatstruktur generieren Sie die LAMMPS-Eingabedateien für eine NPT-Simulation und gleichnden das Zellvolumen mit FFMD. Kopieren Sie die LAMMPS-Eingabedatei in das Arbeitsverzeichnis. Bearbeiten Sie die Gruppenvariable in Zeile 34, um die Atomtypindizes für die Wassersauerstoff- und Wasserwasserstoffatome anzugeben.

In der Gruppenvariablen in Zeile 35, um die Atomtypindizes für die Platin- und Adsorbatatome anzugeben. Bearbeiten Sie in Zeile 17 der Eingabedatei die Ausführungsschrittvariable, um die Dauer der NPT-Simulation so lange festzulegen, dass sie einen Ausgleichslauf und einen Produktionslauf umfasst. Führen Sie die LAMMPS-Software aus, indem Sie den Befehl an der Befehlszeilenschnittstelle eingeben, der die Informationen über die Anzahl der zu verwendenden CPU-Kerne und den Namen der ausführbaren LAMMPS-Datei enthält.

Die Energieminimierung verfeinert die Wassermolekülkonfiguration und es folgt eine FFMD-Simulation, die bei konstanter Anzahl von Wassermolekülen, Volumen und Temperatur durchgeführt wird, um das Wasser auf die Simulationstemperatur zu bringen. Eine weitere FFMD-Simulation wird dann bei konstanter Anzahl von Wassermolekülen, Druck und Temperatur ausgeführt, um die physikalisch korrekte Höhe des Simulationskastens zu bestimmen. Die Ausgabedateien werden später verwendet.

Zeichnen Sie nach der NVV-Simulation die Höhe der Superzelle gegen die Zeit. Der Punkt, an dem er auf einen konstanten Zustandswert absteigt, ist der Punkt in der NVV-Simulation, an dem die Produktion beginnen kann. Überprüfen Sie die Gleichlagerung der NVV-Simulation, indem Sie sicherstellen, dass die Schwankungen in der Höhe der Superzelle minimal sind oder zu einem stetigen Wert konvergiert haben.

Wenn große Schwankungen auftreten, öffnen Sie den Eingang. und verringern Sie den Zeitschritt auf Zeile 92, um die Wassermolekülkonfiguration zu regenerieren und die LAMMPS-Software wie zuvor auszuführen. Geben Sie zunächst an der Befehlszeilenschnittstelle ein, um das Skript auszuführen.

Dieses Skript gibt die durchschnittliche Superzellenhöhe aus dem Produktionslaufteil der NPT-Simulation in eine TXT-Datei aus. Das Skript liest die Länge der Z-Dimension der Zelle in Intervallen von 1 000 Femtosekunden, was das Standardintervall für das Drucken von Informationen in LAMMPS ist. Wenn ein anderes Druckintervall gewünscht wird, kann es durch Bearbeiten von Zeile 20 der get_npt_lz geändert werden.

skript und Zeile 16 der LAMMPS-Eingabe. Equil-Datei. Das Skript erkennt und verwirft die ersten zwei Nanosekunden von lz-Werten, da sie den Ausgleichsteil der Simulation umfassen.

Die Dauer des Ausgleichslaufs kann durch Bearbeiten von Zeile 19 der Datei geändert werden. Die restlichen drei Nanosekunden bilden den Produktionsteil und werden somit zur Berechnung der durchschnittlichen Z-Dimensions-Länge verwendet. Darüber hinaus gibt das Skript eine weitere TXT-Datei aus, die Werte von lz als Funktion des Zeitschritts sowie eine PNG-Datei bereitstellt, die dieselben Daten zeichnet.

Das Diagramm kann verwendet werden, um die Gleichstellung der NVV-Simulation zu überprüfen. Um die Superzelle mithilfe der im NPT ermittelten durchschnittlichen Höhe zu rekonstruieren, kopieren Sie die zuvor generierte Datendatei in ein neues Arbeitsverzeichnis und benennen Sie sie in data.myadsorbate um. Bearbeiten Sie dann die neue Datendatei, um zlo in 0.0 und zhi in den lz-Wert aus der Durchschnittlichen Ausgabe in der TXT-Datei zu ändern.

Kopieren Sie die LAMMPS-Eingabedatei in das neue Arbeitsverzeichnis. Bearbeiten Sie die Gruppenvariable in Zeile 32, um die Atomtypindizes für die Wasserstoffatome Wassersauerstoff und Wasser wasserstoff anzugeben, und die Gruppenvariable in Zeile 33, um die Atomtypindizes für die Platin- und Adsorbatatome anzugeben. Bearbeiten Sie dann in Zeile 16 die variable runStep so, dass sie lang genug ist, um einen Ausgleichslauf und einen Produktionslauf zu umfassen.

Geben Sie den Befehl ein, LAMMPS in die Befehlszeilenschnittstelle auszuführen, um die LAMMPS-Software auszuführen. Dadurch wird eine konstante NVT-Simulation auf den Wassermolekülen ausgeführt, und die Schlüsselausgabedatei wird generiert. Die NVT-Simulation umfasst einen Ausgleichsteil und einen Produktionsteil.

Der Produktionsteil beginnt, wenn die Energie des Systems gegen Zeitniveaus abgelegt wird. Öffnen Sie zunächst das Skript für die Lebensdauer der Wasserstoffbindung. Ändern Sie die tatsächliche Startvariable in Zeile 22, um den Zeitschritt des ersten Zeitrahmens festzulegen.

Ändern Sie die Zeitschrittvariable in Zeile 23, um festzulegen, wie oft Frames in die LAMMPS-Trajektoriedatei geschrieben werden. Ändern Sie N_first und N-last-Variablen in Zeile 24 und 25, um den ersten und letzten Zeitschritt festzulegen, und ändern Sie die Nevery-Variable in Zeile 26, um festzulegen, ob aufeinander folgende Frames berücksichtigt oder übersprungen werden. Legen Sie die Anzahl der Linien pro Rahmenabschnitt der Trajektoriendatei fest, indem Sie die Framelinienvariable in Zeile 27 ändern.

Bearbeiten Sie außerdem die Zeilen 31 bis 35, um anzugeben, welche Atomtypen innerhalb der Daten enthalten sind. Myadsorbat-Datei gehören zum Adsorbat, und welche Atomtypen zu den Wassermolekülen gehören. Das Skript analysiert die Wasserkonfigurationen im Produktionslauf und bestimmt, ob Wassermoleküle wasserstoffgebunden mit dem Adsorbat verbunden sind.

Es zählt dann die Simulationszeit, die jede Wasserstoffbindung intakt bleibt und meldet diese Informationen als Verteilung der Wasserstoff-Bindungslebensdauer in Einheiten von Pikosekunden. LAMMPS schreibt die Konfiguration von Wassermolekülen alle 1 000 Femtosekunden in die Datei, was der Standardwert in der bereitgestellten LAMMPS-Eingabedatei ist. Es erkennt und verwirft die ersten zwei Nanosekunden Konfigurationen in der Datei, da sie den Gleichgewichtsteil der Simulation umfassen, und verwendet die verbleibenden drei Nanosekunden, um die Lebensdauer der Wasserstoffbindung zu berechnen.

Um das Skript auszuführen, geben Sie an der Befehlszeilenschnittstelle ein. Anschließend wird eine DAT-Datei generiert. Zeichnen Sie die Daten in der Datei, um die Verteilung der Wasserstoff-Bindungslebensdauer anzuzeigen, die während der NVT-Simulation aufgetreten ist.

Um das Zeitinkrement zu bestimmen, das für das Zeitstichprobenintervall verwendet werden soll, verwenden Sie ein Zeitinkrement, das größer oder gleich der maximalen Wasserstoff-Bindungslebensdauer ist. Bestimmen Sie die Anzahl der Konfigurationen aus dem Produktionslauf der NVT FFMD-Trajektorie, um eine Stichprobe durchzuführen, sodass die Mindestzeit zwischen Konfigurationen gleich oder größer als das zuvor identifizierte Zeitstichprobenintervall ist. Bearbeiten Sie im zuvor geschriebenen Frameextraktionsskript den Standardwert für die Anzahl der Framesvariablen in Zeile 21, um die Anzahl der zu extrahierenden Konfigurationen anzugeben.

Um das Skript auszuführen, geben Sie den Skriptnamen an der Befehlszeilenschnittstelle ein. Dadurch wird eine Liste der Simulationszeiten ausgegeben, die den Konfigurationen entspricht, die aus der NVT-Simulationsdatei extrahiert werden sollen. Diese Konfigurationen können als Startstrukturen in AIMD- oder QM-Simulationen verwendet werden.

In diesem Verfahren wurde FFMD verwendet, um die anfängliche Konfiguration von Wassermolekülen zu erzeugen. Die AIMD-Simulation zeigt, dass ein Wassermolekül, das ursprünglich mit einem Zuckeralkoholadsorbat auf einer Platin-111-Oberfläche verbunden ist, den Wasserstoff vom Alkoholadsorbat abstrahiert und einen zweiten Wasserstoff auf der Platin-111-Oberfläche ablagert. Die Strukturen von Flüssigwassermolekülen sind von den Eingangseinstellungen abhängig.

Diese unsachgemäß einzustellen kann unbeabsichtigte Einflüsse auf die Wasserstrukturen haben. In dieser Abbildung ist die linke Seite die Ausgangsstruktur für einen FFMD-Lauf. Und die rechte Seite ist innerhalb einer Pikosekunde, um die Simulation zu starten.

Die FFMD-Simulation explodiert aufgrund nicht physikalisch großer Krafteinstellungen, wodurch sich Wassermoleküle weit von der Oberfläche entfernen. Die Konfigurationen können in der Quantenmechanik oder QMM-Simulation verwendet werden, oder sie könnten verwendet werden, um Statistiken zu analysieren, die sich auf die räumlichen Positionen der Moleküle beziehen. Diese Technik ebnet den Weg für Forscher, die Rolle zu erforschen, die flüssige Reaktionsumgebungen bei der Katalyse haben, indem sie tatsächliche Konfigurationen von flüssigen Molekülen an katalytischen Schnittstellen erzeugen.