Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

عينات متعددة النطاقات من "واجهة محفز" المياه/المعادن غير المتجانسة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية وديناميات الجزيئية القوة الميدانية

Published: April 12, 2019 doi: 10.3791/59284
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1,2, 1, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University, 2Davidson School of Chemical Engineering, Purdue University
* These authors contributed equally

Summary

وهدف البروتوكول المعروضة هنا هو توليد وعينه مسارات تكوينات جزيئات الماء السائل حول الأنواع الحفاز على سطح مسطح انتقال معدن. يمكن استخدام التكوينات عينات كبداية الهياكل في الأساليب المستندة إلى ميكانيكا الكم.

Abstract

تحدث عدد كبير من العمليات الكيميائية التي حفزت بين ظروف السائل، ولكن محاكاة وظيفة الحفز في ظل هذه الظروف هو التحدي عندما يكون ذلك ضروريا تشمل الجزيئات المذيبات. كسر السندات وتشكيل عمليات على غرار في هذه النظم تتطلب استخدام الأساليب الكيميائية الكم. نظراً للجزيئات في الطور السائل تحت الحركة الحرارية ثابتة، يجب أن تشمل المحاكاة أيضا تنجز أخذ العينات. وهذا يعني أنه يجب أن محاكاة تكوينات متعددة الجزيئات السائلة لكل الأنواع الحفاز للفائدة. وهدف البروتوكول المعروضة هنا هو توليد وعينه المسارات لتكوينات جزيئات الماء السائل حول الأنواع الحفاز على الأسطح المسطحة انتقال المعادن بطريقة تحقق التوازن بين دقة الكيميائية مع المصروفات الحسابية. على وجه التحديد، تستخدم القوة الميدانية محاكاة ديناميات الجزيئية (فمد) لإنشاء تكوينات الجزيئات السائلة التي يمكن استخدامها فيما بعد في الأساليب المستندة إلى ميكانيكا الكم مثل نظرية الكثافة الوظيفية أو أصلها الجزيئية ديناميات. لتوضيح هذا، في هذه المخطوطة، يتم استخدام البروتوكول لوسيطة الحفازة التي يمكن أن تشارك في المسار لتحلل الجلسرين (8س3ح ج3). وعلى غرار الهياكل التي يتم إنشاؤها باستخدام فمد في إدارة مكافحة الجريمة المنظمة بغية تقدير انثالبيس المذيب للأنواع الحفاز وتحديد كيفية المشاركة الجزيئات2س ح في التفسخ الحفاز.

Introduction

نمذجة الظواهر الجزيئية المشاركة في الحفز غير المتجانس في ظروف السائل ضروري لفهم وظيفة حفازة؛ ومع ذلك، هذا لا تزال صعبة لأنه يتطلب توازناً دقيقا بين دقة الكيميائية والمصروفات الحسابية. بشكل عام، حيث تتضمن الحفز كسر وتشكيل روابط كيميائية، يجب استخدام ميكانيكا الكم إلى حد ما على الأقل؛ ومع ذلك، تشكل تحديا المحاكاة طويلة في ميكانيكا الكم، كما أنها تتطلب موارد كبيرة من جهاز الكمبيوتر. منذ الجزيئات في الطور السائل تحت الحركة الحرارية ثابتة، المحاكاة يجب أن تشمل أيضا أخذ العينات تنجز، أي، وأنها يجب أن تتضمن ترتيبات مكانية متعددة من جزيئات السائل، ككل ترتيب المكانية المختلفة (أي، كل وقد التكوين) بالطاقة مختلفة. وهذا يعني أنه يجب أن محاكاة تكوينات متعددة الجزيئات السائلة لكل الأنواع الحفاز للفائدة. يمكن أن تجعل هذه الاحتياجات – استخدام ميكانيكا الكم والقيام بعمليات حسابية متعددة كل الأنواع الحفاز – النمذجة في الحفز غير المتجانس في إطار المرحلة السائلة حسابياً مستعصية على الحل. وغرض الأسلوب الموصوفة هنا تمكين حسابياً يستهدف محاكاة الظواهر في الحفز غير المتجانس في إطار المرحلة السائلة.

نحن نهتم اهتماما خاصا في التفاعلات بين الحفز التي تنفذ تحت الماء السائل. جزيئات الماء لها تأثير كبير على الظواهر الحفاز، مثل التفاعل مع الأنواع حفاز (مثلاً، عن طريق قوات التشتت والربط الهيدروجين)1،2،،من34،5 ،،من67،،من89،10،11،12،13،14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23، المشاركة في التفاعلات الحفازة1،،من78،9،15،21،22،24 ،25،،من2627، والتأثير على مسارات رد فعل و/أو معدلات حفاز1،11،،من1215، 18،23،25،27،،من2829،،من3031. وقد أجريت النمذجة لهذه الظواهر باستخدام إدارة الجودة و/أو أصلها ديناميات الجزيئية (أيمد)1،2،،من67،14،22 ،،من2527،،من2832،،من3334، القوة الميدانية ديناميات الجزيئية (فمد)35 ، وميكانيكا الكم/الجزيئية الميكانيكا (QM/مم)10. وفي أيمد وفمد، يتم نقل الذرات في النظام وفقا لمعادلات نيوتن للحركة وفقا للقوات التي تعمل عليها. في أيمد، تحسب بنظام الطاقة والقوى مع ميكانيكا الكم، بينما في فمد، نظام الطاقة والقوى تحسب باستخدام قوة الحقول، وهي عبارات جبرية يتم ذات معلمات على أساس تجريبي أو بيانات QM. في QM/مم، يتم حساب جزء النظام بحيث يحدث السند كسر وتشكيل مع QM، ويحسب ما تبقى النظام مع مم، الذي يستخدم القوة الحقول. نظراً لأنها تستخدم مباشرة QM، أيمد و QM/مم أكثر ملاءمة لالتقاط قطع السندات وتشكيل التي تحدث في الحفز غير المتجانس المرحلة المائية؛ ومع ذلك، فمد أكثر حسابياً أصعب إلى حد كبير وهكذا أفضل ملاءمة لتوليد التكوينات لجزيئات السائل ح2س. الطريقة التي عرضت في هذا البروتوكول أرصدة دقة الكيميائية والمصروفات الحسابية باستخدام مزيج من QM وفمد.

على وجه التحديد، يستخدم هذا الأسلوب المحاكاة فمد لإنشاء تكوينات من السائل ح2س و QM لحساب نظام الطاقات. ويتم فمد باستخدام لامبس. 36 ميادين القوة المستخدمة في فمد في هذا العمل توظيف لينارد جونز + إمكانيات كولومب (LJ + ج)، حيث اتخذت المعلمات LJ من طراز TIP3P/CHARMM37 ح2س، ميدان القوى العالمية38 (إف) لحزب العمال، أوبلس-AA القوة الميدانية39 للأنواع الحفاز، والمعلمات كولومب قد اتخذت من طراز TIP3P/CHARMM37 ح2س و القوة الميدانية أوبلس-AA39 للأنواع الحفاز. تم تعيين المعلمات كولومب لذرات حزب العمال إلى 0. يتم تنفيذ العمليات الحسابية QM استخدام VASP رمز40،41،42، الذي رمز كثافة نظرية وظيفية (إدارة مكافحة الجريمة المنظمة). يتم تنفيذ الملاحق جزيء الماء مع وضع التعليمات برمجية داخلية يسمى مونتي كارلو المكون إضافي "الأساليب الكمية" (مكبليق). يتم تنفيذ تحويلات الملف من بسب إلى لامبس في هذا البروتوكول مع البرمجيات ديناميات الجزيئية البصرية (VMD)43.

البروتوكول يهدف إلى إنشاء تكوينات جزيئات الماء السائل حول الأنواع الحفاز على الأسطح المسطحة انتقال المعدن في التغطية المنخفضة. التغطية θ تتم الإشارة إليها ويعرف بأنه عدد أدسورباتيس كل ذرة معدنية السطحية (أي عدد أدسورباتيس السطحية التي طبعت بعدد ذرات معدنية في أعلى طبقة من لوح معدني في نموذج محفز). في هذه المخطوطة، يعرف التغطية المنخفضة θ ≤ 1/9 أحادي الطبقة (ML)، حيث يعني 1 مل أحد الأنواع الحفاز كل ذرة معدنية السطحية. ينبغي أن توضع نماذج محفز في مربعات محاكاة الدوري. لم يكن لديك مربعات المحاكاة إلى مكعبات. هذه المخطوطة يوضح استخدام البروتوكول لإنشاء تكوينات من السائل ح2س التي يمكن استخدامها لحساب كميات من الفائدة في المرحلة مائي الحفز غير المتجانس.

ويتطلب هذا البروتوكول أن المستخدم لديه الوصول إلى الإصدارات المثبتة والعمل من البرمجيات فاسب، مكبليق، لامبس، و VMD. تتوفر مزيد من المعلومات حول لامبس (https://Lammps.sandia.gov/)، بسب (https://www.vasp.at/) و VMD (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) في مواقعها الخاصة على شبكة الإنترنت. يتم توثيق البرنامج مكبليق في https://github.com/getman-research-group/JoVE_article، جنبا إلى جنب مع جميع ملفات الإدخال والبرامج النصية بيثون المشار إليها في هذا البروتوكول. هذا البروتوكول يفترض أن الملفات القابلة للتنفيذ والبرامج النصية المذكورة ضمن سيتم تشغيل على جهاز كمبيوتر عالي الأداء لبحث، والمثبتة في دليل موجود في متغير $PATH للمستخدم. إذا كان الملف القابل للتنفيذ أو برنامج نصي يوضع في مكان ليس في المستخدم في $PATH، ثم يجب أن يكون المسار إلى الملف التنفيذي المضمنة تنفيذه. يتم تنفيذ البرامج النصية والملفات القابلة للتنفيذ في خطوات 2.1.2، 2.2.1، 2.2.8، 3.1، 4.2، 5.2 و 6.1.2. على سبيل المثال، لتنفيذ التعليمة البرمجية مكبليق في الخطوة 2.1.2 من دليل الذي ليس في المستخدم في $PATH، اكتب المستخدم $PATHTOMCPLIQ/مكبليق في واجهة سطر الأوامر بدلاً من مكبليق، حيث $PATHTOMCPLIQ هو الموقع حيث مكبليق وقد تم تخزين الملف القابل للتنفيذ (على سبيل المثال، قد يكون $PATHTOMCPLIQ ~/بن). قبل البدء في هذا البروتوكول، جميع الملفات القابلة للتنفيذ والبرامج النصية ينبغي أن الأذونات القابلة للتنفيذ (على سبيل المثال، في لينكس، ويمكن أن يكون ذلك بكتابة chmod + x mcpliq في واجهة سطر الأوامر من الدليل حيث يتم تخزين مكبليق القابل للتنفيذ). علاوة على ذلك، يجب أن يتم تحميل أية وحدات نمطية المطلوبة من أي من البرامج أو البرامج النصية (ستكون هذه التبعيات الخاصة بالمنشآت الفردية لمختلف البرامج والكمبيوتر حيث سيتم تشغيل عمليات المحاكاة).

Protocol

1-إنشاء بنية أدسورباتي

  1. قم بإنشاء ملف بسكار VASP تتألف من سوبيرسيل مع شروط الحدود الدوري، كما لو كنت إذا كنت تم إجراء محاكاة أدسورباتيس على الأسطح المعدنية تحت الفراغ. ينبغي أن تشمل سوبيرسيل تخمين أولى من هيكل أدسورباتي وسطح معدني فضلا عن فراغ الفضاء فوق أدسورباتي لإضافة جزيئات2س ح. وترد تفاصيل حول كيفية القيام بذلك في35،العمل السابق44.
    ملاحظة: من المهم أن يكون الارتفاع مساحة فراغ على الأقل 12 Å أعلاه أعلى أدسورباتي.
  2. الاسترخاء في الهيكل والتقليل من الطاقة استخدام التعليمات البرمجية بسب. وترد تفاصيل حول كيفية القيام بذلك في35،العمل السابق44. وهذا سوف ينتج ملف يسمى كونتكار، الذي سيتم استخدامه في المقطع التالي.

2-إضافة جزيئات2س ح صريحة

  1. إضافة جزيئات الماء ن إلى مساحة الفراغ في كونتكار بإنشائه في الخطوة 1، 2 باستخدام التعليمات البرمجية مكبليق، حيث N = ρV، ρ كثافة الماء، و الخامس هو حجم مساحة فراغ أعلاه أدسورباتي.
    ملاحظة: ينبغي ρ كثافة الماء كما تتحدد بنموذج المياه TIP3P/CHARMM في درجة حرارة المحاكاة. سيتم صقل الخامس في الخطوة التالية.
    1. حدد المعلومات التالية في الملف master_input.txt مكبليق: عدد الجزيئات2س ح لإضافة (N) عن طريق تغيير الوسيطة الأولى في المسار إلى الملف water.txt عن طريق تغيير الوسيطة الثانية في خط 28، والحد الأدنى من خط 28، و الحد الأقصى للارتفاع من سوبيرسيل التي يمكن أن تشغلها جزيئات الماء عن طريق تغيير الحد الأدنى z اﻻحداثي في السطر 11 و اﻻحداثي z كحد أقصى في السطر 12.
    2. تنفيذ التعليمات البرمجية مكبليق بكتابة مكبليق من واجهة سطر الأوامر لإدراج جزيئات المياه في الملف كونتكار. سيتم إخراج الرمز واحد أو أكثر من ملفات مع ملحق الملف. بسكار.
      ملاحظة: إذا كان يتم إنتاج أكثر من بوسكار الملفات، سيتم تسمية POSCAR_n.POSCAR. حدد الملف حيث n أكبر.
  2. إنشاء ملفات الإدخال لامبس لمحاكاة معاهدة عدم الانتشار، وحجته حجم الخلية باستخدام فمد في فرقة معاهدة عدم الانتشار في لامبس.
    1. تنفيذ lmps_bond_angle.py البرنامج النصي في. ملف بسكار الذي تم إنشاؤه في الخطوة 2.1.2 بكتابة lmps_bond_angle.py $filename. بسكار في واجهة سطر الأوامر، حيث $filename هو الاسم. بوسكار ملف تم إنشاؤه في الخطوة 2.1.2. هذا البرنامج النصي بإنشاء ملف يسمى $filename. POSCAR.bond_angle_info.txt الذي يسرد سندات والزوايا التي سيتم استخدامها في ملف بيانات لامبس.
    2. فتح VMD وحدد ملف > جزيء جديد في الإطار الرئيسي لفتح نافذة المتصفح الملف جزيء . حدد VASP_POSCAR من القائمة المنسدلة تحديد نوع الملف . انقر فوق استعراض ، وانتقل إلى $filename. ملف بسكار. انقر فوق تحميل لفتح في $filename. ملف بسكار.
    3. فتح وحدة تحكم المعارف التقليدية ضمن VMD عن طريق تحديد ملحقات > وحدة التحكم بالمعارف التقليدية من النافذة الرئيسية VMD.
    4. تنفيذ الأمر التالي في وحدة التحكم بالمعارف التقليدية: توبو ريتيلامبسداتا $WDPATH/data.myadsorbate كاملة، حيث $WDPATH هو الدليل على الكمبيوتر حيث سيتم كتابة VMD ملف البيانات لامبس و data.myadsorbate هو اسم ملف البيانات لامبس.
    5. حذف المقطع السندات وزوايا في الجزء السفلي من الملف data.myadsorbate. ثم، قم بإلحاق قوائم السندات وزاوية في الملف $filename. POSCAR.bond_angle_info.text إلى data.myadsorbate.
      ملاحظة: الفهارس لنوع السندات ح س واكتب زاوية ح-س-ح لجزيئات الماء في $filename. يتم تعيين كل ملف POSCAR.bond_angle_info.txt إلى 1. وهكذا، ينبغي أن تبدأ أنواع السندات وزاوية أدسورباتيس لعد في 2.
    6. تحرير الملف data.myadsorbate عن طريق إضافة معلمات لينارد جونز إلى المقطع كويفس زوج والمعلمات كولومب إلى المقطع الذرات . لينارد جونز ومعلمات كولومب ح2س الجزيئات والذرات أدسورباتي، وذرات سطح المعدن تحتاج إلى إضافتها.
      ملاحظة: المعلمات لينارد جونز لحزب العمال ذرات وجزيئات الماء وذرات أدسورباتي في هذا البروتوكول يتم الحصول عليها من إف38، TIP3P/CHARMM37، وأوبلس-AA39 فرقة الميادين، على التوالي. يتم الحصول على معلمات كولومب للذرات والجزيئات وأدسورباتيس المياه من TIP3P/CHARMM37 وأوبلس-AA39 فرقة الميادين، على التوالي. يتم تعيين المعلمات كولومب لذرات حزب العمال إلى 0 في هذا البروتوكول. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام الاتهامات الجزئية المحسوبة للمعلمات كولومب لذرات أدسورباتي والذرة من حزب العمال.
    7. نسخ input.equil ملف الإدخال لامبس في الدليل $WDPATH. تحرير متغير المجموعة على السطر 34 للإشارة إلى الفهارس نوع ذرة الأوكسجين في المياه والمياه ذرات الهيدروجين والمتغير المجموعة على خط 35 للإشارة إلى الفهارس نوع الذرة لذرات حزب العمال وأدسورباتي.
    8. تنفيذ البرنامج لامبس بكتابة مبيكسيك-np XX lmp_mpi < input.equil في واجهة سطر الأوامر، حيث XX هو عدد النوى وحدة المعالجة المركزية لاستخدام، و lmp_mpi هو اسم الملف التنفيذي لامبس. عند القيام بذلك سيتم تشغيل تدنية الطاقة لتحسين التكوين2س ح، متبوعاً بمحاكاة فمد يقوم على عدد ثابت من الجزيئات2س ح (ن) والمجلد (الخامس)، ودرجة الحرارة (T) لتحقيق المياه إلى درجة حرارة المحاكاة، متبوعاً بمحاكاة فمد تشغيل مستمر ن، الضغط (P)، ودرجة الحرارة (T) لتحديد الارتفاع الصحيح جسديا من مربع المحاكاة. تسمى ملفات الإخراج التي سيتم استخدامها في القسم 3 data.myadsorbate_npt و log.myadsorbate.
      ملاحظة: مدة المحاكاة معاهدة عدم الانتشار ينبغي منذ فترة طويلة كافية لتشكل "الموازنة" تشغيل، حيث يأتي حجم سوبيرسيل حالة مستقرة، و "إنتاج" تشغيل، الذي يستخدم للعينة المتوسطات الفرقة (هنا، وارتفاع سوبيرسيل). أثناء تشغيل الموازنة، أن مستوى حجم supercell عند رسم مقابل الوقت إلى قيمة حالة ثابتة. بمجرد حدوث ذلك، محاكاة معاهدة عدم الانتشار يمكن أن يقال في إنتاجه تشغيل. التحقق من الموازنة لمحاكاة معاهدة عدم الانتشار عن طريق ضمان أن التقلبات في ذروة supercell (lz) هي الحد الأدنى أو تقاربت إلى قيمة ثابتة. في حالة حدوث تقلبات كبيرة، ثم إعادة إنشاء تكوين2س ح عن تناقص تيميستيب على الخط 92 في ملف input.equil وتكرار الخطوة 2.2.8 أو البدء مرة أخرى من الخطوة 2.1.1.

3-استخراج الارتفاع المناسب سوبيرسيل

  1. تنفيذ get_npt_lz.py البرنامج النصي في الملف log.myadsorbate بواسطة كتابة get_npt_lz.py log.myadsorbate في واجهة سطر الأوامر. نواتج هذا البرنامج النصي supercell متوسط الارتفاع من الجزء "إنتاج" تشغيل المحاكاة معاهدة عدم الانتشار في الملف avg_lz.txt.
    ملاحظة: البرنامج النصي get_npt_lz.py يفترض أن لامبس يكتب طول خلية z-البعد (lz) إلى ملف log.myadsorbate كل 1000 خ (للتخصيص في سطر 20 من البرنامج النصي get_npt_lz.py)، وهو الإعداد الافتراضي في ملف الإدخال لامبس input.equil المقدمة. يكتشف البرنامج النصي get_npt_lz.py ويتجاهل 2 أول ns (القابلة للتخصيص في سطر 19 من البرنامج النصي get_npt_lz.py) بقيمة lz القيم في الملف log.myadsorbate، كما أنهم يشكلون الجزء الموازنة من المحاكاة، بينما 3 المتبقية تشمل ns " حصة الإنتاج "، وهي هكذا المستخدمة من قبل البرنامج النصي get_npt_lz.py لحساب طول البعد ض متوسط. بالإضافة إلى الملف avg_lz.txt، إخراج البرنامج النصي get_npt_lz.py ملف يسمى npt_data.txt، الذي يوفر قيم lz كدالة تيميستيب، فضلا عن ملف يسمى npt_plot.png، الذي يرسم نفس البيانات. يمكن استخدامها الأرض للتحقق من الموازنة لمحاكاة معاهدة عدم الانتشار.
  2. إعمار سوبيرسيل استخدام متوسط الارتفاع المحددة في معاهدة عدم الانتشار النووي.
    1. نسخ ملف data.myadsorbate_npt إلى دليل جديد، المشار إليها هنا ك $WD2PATH، وتسميته data.myadsorbate.
    2. تحرير الملف data.myadsorbate الجديد حيث أن ارتفاع lz يساوي متوسط قيمة الناتج من البرنامج النصي get_npt_lz.py بتغيير الوسيطات زلو وتشي في الملف data.myadsorbate أن زلو 0.0 وتشي هو قيمة lz من ملف avg_lz.txt المنتجة في s تيب 3.1.

4-إنشاء تكوينات الجزيئات2س ح

  1. نسخ input.prod ملف الإدخال لامبس في $WD2PATH. تحرير متغير المجموعة على الخط 32 تشير إلى الفهارس نوع ذرة الأوكسجين في المياه والمياه ذرات الهيدروجين والمتغير المجموعة على الخط 33 للإشارة إلى الفهارس نوع الذرة لذرات حزب العمال وأدسورباتي.
  2. تنفيذ البرنامج لامبس بكتابة مبيكسيك-np XX lmp_mpi < input.prod في واجهة سطر الأوامر، حيث XX هو عدد النوى وحدة المعالجة المركزية لاستخدام، و lmp_mpi هو اسم الملف التنفيذي لامبس. عند القيام بذلك سيتم تشغيل محاكاة NVT مستمر على جزيئات2س ح. ملف الإخراج الرئيسية من هذه المحاكاة هو الملف dump.myadsorbate.lammpstrj.
    ملاحظة: مدة المحاكاة NVT يجب منذ وقت طويل ما يكفي لتشمل الموازنة تشغيل، تأتي طاقة النظام استقرار الدولة، حيث يتم إنتاج تشغيل، التي تبلغ في المتوسط الفرقة (هنا، مواقف المكانية من جزيئات المياه) عينات. أثناء تشغيل الموازنة، أن مستوى طاقة النظام عند رسم مقابل الوقت إلى قيمة حالة ثابتة. بمجرد حدوث ذلك، محاكاة NVT يمكن أن يقال في إنتاجه تشغيل.

5-تحديد عمر السندات الهيدروجين لأخذ العينات في الوقت المناسب

  1. تحرير البرنامج النصي لتحديد hb_lifetime_dist.py: تيميستيب للإطار الأول من الملف dump.myadsorbate.lammpstrj بتغيير المتغير أكتوالستارت على الخط 22، كم الإطارات تتم كتابتها إلى ملف مسار لامبس بتغيير المتغير تيميستيب في خط 23، ينبغي النظر في تيميستيبس الأول والأخير البرنامج النصي (أي إنتاج جزء من المسار) عن طريق تغيير المتغيرات N_first و N_last على خطوط 24 و 25، سواء إطارات متتالية تعتبر أو يتم تخطي الإطارات عن طريق تغيير في نيفيري المتغير في السطر 26، وعدد الأسطر لكل قسم الإطار مسار الملف عن طريق تغيير المتغير frameLine في السطر 27. بالإضافة إلى ذلك، تحرير الأسطر 31 من خلال 35 لتحديد أنواع الذرة داخل الملف data.myadsorbate تنتمي إلى أدسورباتي وأنواع الذرة تنتمي إلى جزيئات2س ح.
    ملاحظة: البرنامج النصي hb_lifetime_dist.py يحلل التكوينات2س ح في تشغيل الإنتاج ويحدد إذا كان أي جزيئات س2ح الهيدروجين المستعبدين أدسورباتي. ثم التهم وقت محاكاة كل الهيدروجين السندات لا تزال سليمة وتقارير هذه المعلومات كتوزيع إعمار السندات الهيدروجين في وحدات من ps. الإصدار المحدد من البرنامج النصي التي يتم توفيرها مع هذا البروتوكول يفترض أن لامبس يكتب تكوين جزيئات2س ح إلى ملف dump.myadsorbate.lammpstrj كل 1000 خ، وهو الإعداد الافتراضي في ملف الإدخال لامبس input.prod المقدمة. يكشف ويتجاهل 2 الأولى قيمتها ns من تكوينات في الملف dump.myadsorbate.lammpstrj، كما أنهم يشكلون الجزء الموازنة للمحاكاة، و ns الاستخدامات 3 المتبقية لحساب عمر السندات الهيدروجين.
  2. تنفيذ hb_lifetime_dist.py البرنامج النصي في الملف dump.myadsorbate.lammpstrj بواسطة كتابة hb_lifetime_dist.py في واجهة سطر الأوامر. عند القيام بذلك سوف ينتج ملف يسمى distribution_HB_lifetime.dat.
  3. رسم البيانات في ملف distribution_HB_lifetime.dat لعرض توزيع إعمار الهيدروجين السندات التي حدثت أثناء عملية المحاكاة NVT.
  4. تحديد الزيادة مرة لاستخدام الفاصل الزمني أخذ العينات استناداً إلى عمر محسوب الهيدروجين السندات. أفضل خيار هو عمر أقصى الهيدروجين السندات؛ وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام قيمة التي سوف التقاط فاصل الثقة 95%.

6-عينة التكوينات السائلة الجزيئات2س ح

  1. تحديد عدد التكوينات من تشغيل الإنتاج من مسار فمد NVT لمزيد من العمليات الحسابية. يجب تحديد عدد التكوينات حيث يكون الحد الأدنى للوقت بين تكوينات مساوية أو أكبر من الفاصل الزمني أخذ العينات المحددة في القسم 5.
    1. تحرير القيمة الافتراضية للمتغير num_frames في السطر 21 من البرنامج النصي lammps_frames.py لتحديد عدد التكوينات لاستخراج.
    2. تنفيذ lammps_frames.py البرنامج النصي على dump.myadsorbate.lammpstrj الملف بكتابة lammps_frames.py في واجهة سطر الأوامر. عند القيام بذلك سيتم إخراج قائمة بمحاكاة الأوقات المقابلة للتكوينات التي ينبغي استخلاصها من الملف dump.myadsorbate.lammpstrj. يمكن استخدام هذه التكوينات كبداية الهياكل في المحاكاة أيمد أو QM.
      ملاحظة: 1) البرنامج النصي lammps_frames.py تلقائياً بالكشف عن سجل لامبس وملفات تفريغ، فضلا عن إنتاج جزء من المسار داخل ملف التفريغ ويقسم عدد التكوينات داخل ملف التفريغ إلى 10 مجموعات. وبدلاً من ذلك، يمكن للمستخدم تحديد ملف السجل وملف التفريغ، والعدد من التكوينات من واجهة سطر الأوامر استخدام-l و-d، وخيارات-n، على التوالي. للقيام بذلك، المستخدم يجب أن تكتب lammps_frames.py-n XX-l $logfilename-د $dumpfilename في واجهة سطر الأوامر، حيث XX هو العدد المطلوب من التكوينات، $logfilename هو اسم ملف السجل لامبس، و $dumpfilename هو الاسم لامبس (تفريغ) مسار الملف. مرات المحاكاة التي إخراج الرجوع إلى العصر الوسيط في كل مجموعة. 2) إذا كان سيتم حساب التكوينات في بسب مع العلم لديبولي قيد التشغيل، طبقة صغيرة من فراغ الفضاء ينبغي أن تضاف إلى الجزء العلوي من سوبيرسيل فوق طبقة المياه. وهذا سيسهل تلاقي بنية إلكترونية في حساب فاسب. إضافة Å 3 إضافية من فراغ الفضاء فوق الجزيئات س2ح قد نجحت في عمليات المحاكاة التي تناقش أدناه.

Representative Results

استخدام واحد من هذا البروتوكول لحساب طاقات التفاعل بين الماء السائل وحافز الأنواع، أي، Δهint35:

∆هint=هالأنواع الحفاز + ح2س+هسطح نظيف محفز-هالأنواع الحفاز-Eمحفز تنظيف سطح + ح2س

حيث هالأنواع الحفاز + H2Oهو الطاقة لتكوين جزيئات2س ح حول أنواع حفاز على سطح معدن، هسطح نظيف محفز هو طاقة سطح نظيف محفز في الفراغ، ه الأنواع الحفاز هو طاقة الأنواع الحفاز على سطح معدني في فراغ، و هتنظيف محفز السطحية + H2O هي الطاقة لتكوين ح2س على سطح عامل حفاز مع الأنواع الحفاز إزالة. ومواقف ح2س الجزيئات المستخدمة في حساب هالأنواع الحفاز + H2O و هتنظيف محفز السطحية + H2O يجب أن تكون متطابقة. يتم حساب كافة القيم ه استخدام التعليمات البرمجية بسب. Δ كميةهint ويشمل جميع التفاعلات الفيزيائية والكيميائية بين كل من الجزيئات في هيكل المياه السائلة والأنواع الحفاز ويعطي تقديراً معقولاً لمحتوى حراري المذيب للحافز الأنواع التي هناك حاجة لحساب الطاقة الحرة من المذيب وإجمالي الطاقة الحرة. ويقدم الجدول 1 القيم ل Δهint المحسوبة للأنواع على حافز Pt(111) السطحية مع الصيغ الكيميائية يساوي جسحصسض في وحدات eV (1 eV = 96.485 كيلوجول/مول). تم حساب القيم في التغطيات دي وان/9 مل35،46 القيم التي ذكرت هي المتوسطات التي اتخذت على مدى 10 تكوينات من السائل ح2س، والإبلاغ عن حالات عدم اليقين الانحرافات المعيارية. كافة القيم سلبية، مما يشير إلى تفاعلات إيجابية مع الماء.

تطبيق آخر من هذا البروتوكول إنشاء هياكل انطلاق أيمد. فيلم 1 هو فيلم مسار أيمد الذي بدأ من تكوين التي تم إنشاؤها بواسطة هذا البروتوكول. في بداية هذا الفيلم، يرد أدسورباتي COH على سطح Pt(111) تحت هيكل من السائل H2o. وأكد جزيء2س ح واحد، هو التي شكلت سندات الهيدروجين مع COH. خلال الفيلم، هذا الجزيء2س ح خلاصات البروتون من أدسورباتي COH والودائع من ذرة هيدروجين ثاني على السطح Pt(111). جزيء2س ح وبالتالي يساعد على تحفيز رد فعل COH * + * ← CO * + * ح، حيث * s تشير إلى مواقع الحفاز. ويبرز هذه المحاكاة القوة الرئيسية، والغرض الرئيسي من أسلوب أخذ العينات متعددة النطاقات الموضحة هنا. يتم إنشاء تكوينات العديد من الجزيئات2س ح مع فمد، نظراً لقوتها في المقاييس الحسابية. ومع ذلك، هو حد فمد فإنه لا يمكن التقاط كسر السندات وتشكيل ما لم ينفذ حقل قوة رد الفعل. أيمد تستخدم ميكانيكا الكم لحساب الطاقات وهكذا يمكن التقاط بوند كسر وتشكيل. ومع ذلك، تطالب أيمد جداً حسابياً لتوليد كافة تكوينات ح2س الجزيئات الضرورية لضمان أخذ العينات كافية وقد تحقق. وهكذا، يجمع هذا البروتوكول الطريقتين.

هياكل جزيئات س2ح السائلة التي تم إنشاؤها بواسطة هذا الإجراء تعتمد اعتماداً على إعدادات الإدخال. إعداد هذه غير سليمة يمكن أن يكون لها تأثيرات غير مقصودة على هياكل المياه. عندما تصبح المسافات الجزيئات الصغيرة جداً أو عندما يتم تعيين غير صحيح معلمات أخرى في ملفات الإدخال ديناميات الجزيئية أو تأخذ على قيم أونفيسيكال، على سبيل المثال، يمكن أن تصبح بنية المياه غير معقول. وفي ظل هذه الظروف، سيكون هيكل المياه "نسف" أونينتينديدلي خلال مسار فمد. ويبين الشكل 1 مثالاً على ذلك. اللقطة على الجانب الأيسر هو هيكل انطلاق لتشغيل فمد، واللقطة على الجانب الأيسر لقطة المتخذة داخل ps 1 لبدء عملية المحاكاة. كما يمكن أن يرى، تحركت جزيئات س2ح بعيداً من على سطح الأرض. هذا يحدث بسبب سوء الإعدادات في ملفات الإدخال المحاكاة وليس بنية التي من المرجح أن تحدث في الواقع.

Figure 1
رقم 1: مثال على نتيجة سلبية. المحاكاة الجزيئية ديناميات القوة الميدانية "يفجر" سبب الإعداد أونفيسيكال أو القيمة. الصورة اليسرى: انطلاق هندسة السطح Pt(111)، أدسورباتي، وهيكل المياه السائلة. صورة اليد اليمنى: هندسة السطح Pt(111)، أدسورباتي، والماء السائل هيكل ps أقل من 1 في وقت لاحق. في الصورة اليمنى، وقد فصل الجزيئات2س ح من على سطح الأرض بسبب قوات كبيرة أونفيسيكالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Movie 1
فيلم 1: أصلها ديناميات الجزيئية (أيمد) محاكاة بدأ من تكوين التي تم إنشاؤها في أخذ عينات متعددة النطاقات. جزيء2س ح التي هي أصلاً الهيدروجين المستعبدين إلى أدسورباتي COH على سطح Pt(111) خلاصات البروتون من COH والودائع هيدروجين ثانية على سطح Pt(111). ويمكن التقاط هذه السندات كسر وتشكيل الحدث قبل أيمد ولكن ليس مع ديناميات الجزيئية القوة الميدانية (فمد) ما لم يتم استخدام حقل قوة رد الفعل. التكوين الأولى للجزيئات2س ح المستخدمة في هذه المحاكاة أيمد تم إنشاؤها باستخدام فمد كما هو موضح في هذه المخطوطة. من فضلك انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بالزر الأيمن التحميل.)

الأنواع الحفاز ∆Eint (eV)
COH -0.70 ± 0.07
أول أكسيد الكربون -0.03 ± 0.03
يا سي إتش2 -0.64 ± 0.12
أوه شو-شوح-الفصل2 -0.93 ± 0.22
يا COH-COH-الفصل2 -0.87 ± 0.23
COH-شوح-COH -1.72 ± 0.26
شوح-COH-أول أكسيد الكربون -1.57 ± 0.25
شو-CO-أول أكسيد الكربون -0.31 ± 0.19

الجدول 1: الأنواع المياه حفاز تفاعل الطاقة النتائج. حساب طاقات التفاعل في eV لثمانية جسحصسض أدسورباتيس Pt(111). وذكرت القيم تؤخذ المتوسطات على تكوينات متعددة من السائل ح2o. أوجه عدم التيقن من الانحرافات المعيارية للمتوسطات. 1 eV = 96.485 كيلوجول/مول.

Discussion

تم اختيار الأسلوب كما عرضت لسهولة التنفيذ، ولكن يمكن إجراء التخصيصات متعددة. مثلاً، يمكن تعديل الحقول القوة المستخدمة في عمليات المحاكاة فمد. يمكن أن يتم تغيير معلمات القوة الميدانية و/أو الإمكانيات بتحرير ملفات البيانات وإدخال لامبس. وبالمثل، يمكن استخدام المذيبات خلاف ح2س. لإجراء هذا التعديل، سيتعين جزيء المذيب المطلوب إدراجها بدءاً من الخطوة 2.1.1، وملفات الإدخال لامبس ستحتاج إلى تحرير لدمج الإمكانات المناسبة والمعلمات. إدراج الجزيء المذيبات الجديدة يتطلب أيضا توفير إحداثيات الداخلية جزيء المذيب في ملف.txt مماثلة إلى الملف water.txt.

تعديل آخر يمكن القيام به تعديل مجال بلاطة السطح. توظيف النتائج التي نوقشت في هذه المخطوطة Pt 3 × 3 Pt أو Pt 4 × 4 Pt ألواح السطحية، التي لها المساحات السطحية أقل من 120 Å2. كما يزيد من مساحة سطح البلاطة، كما يزيد على حساب الحسابية. المصروفات الحسابية له أكبر الأثر في القسم 5 من هذا البروتوكول. إذا خطوات معالجة البيانات في القسم 5 تصبح باهظة حسابياً، آخر البيانات الكبيرة استراتيجيات معالجة مثل تلك التي نوقشت في Li et al. عام 201845 يمكن استخدامها.

وتشمل المصادر المحتملة لعدم اليقين هذا الإجراء مجال القوة المستخدمة، وطريقة أخذ العينات، وتواتر أخذ العينات. يتم تحديد بنية المياه بميدان القوة المستخدمة، مما يعني أن خيار القوة الميدانية يمكن أن تؤثر تكوينات معينة من الجزيئات2س ح. وقيمت مجموعتنا كيف تؤثر خيارات القوة الميدانية ح2س الجزيئات والذرات Pt طاقات التفاعل المحسوبة في فمد ووجدت أن خيار القوة الميدانية يساهم بأقل من 0.1 eV إلى الطاقة هذا التفاعل. مصدر آخر لعدم اليقين هو أسلوب أخذ العينات، مما يؤثر على تكوينات معينة التي يتم استخدامها لحساب كمية من الفائدة. مجموعتنا مقارنة أداء الأسلوب "الوقت أخذ العينات" قدمت في هذا البروتوكول بطريقة "الطاقة أخذ عينات"، التي تنحاز إلى تكوينات الطاقة أقل من جزيئات2س ح، وعلى التفاعل طاقات المحسوبة في إدارة مكافحة الجريمة المنظمة، والعثور على حد سواء أساليب أخذ العينات هذه القيم تعطي إحصائيا تساوي35،46. تواتر أخذ العينات يمكن أيضا أن تؤثر على النتائج. لدينا تقييم كيفية زيادة عدد التكوينات من 10 إلى 30 ألفا تأثير طاقات التفاعل متوسط المحسوبة في فمد ل 40 مختلفة ج3حسس3 أدسورباتيس ووجد أن تكرار أخذ العينات يساهم أقل من 0.1 eV ل الطاقة التفاعل متوسط44.

القيد الرئيسي لهذا الأسلوب أن أدسورباتيس يتم تقريبها بالهياكل تحت الفراغ أثناء عمليات المحاكاة فمد. في الواقع، أن يحمل أدسورباتيس التغييرات conformational (تمتد بوند، زاوية الانحناءات، التماسات اﻻلتوائية، إلخ) بسبب الحركات الحرارية العادية، بما في ذلك التفاعل مع جزيئات المذيب. محاولات لإدراج التغييرات كونفورماشونال من أدسورباتيس في عمليات المحاكاة فمد يتطلب تفصيلاً تطوير حقول القوة أدسورباتيس السطحية الحفاز، أي التي تشمل المصطلحات التي تصف تمتد بوند والانحناءات زاوية، وشروط اﻻلتوائية، بين أمور أخرى. باتجاه مستقبل لهذا البروتوكول، نقوم بتطوير هذه الحقول القوة أدسورباتيس على السطوح الصلبة، التي سوف نستخدمها لتحديد مدى استخدام التي أدسورباتيس جامدة يؤثر النتائج.

Disclosures

المؤلفون بالكشف عن لا تضارب في المصالح.

Acknowledgments

تم تمويل هذه البحوث "المؤسسة الوطنية للعلوم" من خلال جائزة رقم كبيت-1438325. دعم الزمالة كيب عن طريق "وكالة ناسا" NX14AN43H منحة التدريب هو العرفان. وأجريت عمليات محاكاة على "الكتلة العملاق بالميتو"، الذي تم تطويره من قبل فريق التكنولوجيا سيبيرينفراستروكتوري في جامعة كليمسون. ونحن نشكر الدكتور بول ج. ميزا-موراليس لاختبار البروتوكول.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
VASP software Computational Materials Physics, Dept. of Physics, University of Vienna vasp.5.4.4 Standard parallel VASP executable in the newest version.
LAMMPS software Sandia National Laboratory 31Mar17-dp Double-precision, parallel LAMMPS executable from 31 March 2017.
VMD software Theoretical and Computational Biophysics Group, University of Illinois at Urbana-Champaign 1.9.3 Standard VMD executable in the newest version.
MCPliQ software Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University Executable and input files for the MCPliQ software availabe from the Getman Research Group GitHub page.
JoVE article scripts Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University Python scripts for this JoVE manuscript available from the Getman Research Group GitHub page.
H2O PDB file Getman Research Group, Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering, Clemson University or RCSB Protein Data Bank PDB file for a water molecule, available from the Getman Research Group GitHub page or at http://www.rcsb.org/ligand/HOH.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liu, J. L., Cao, X. M., Hu, P. Density functional theory study on the activation of molecular oxygen on a stepped gold surface in an aqueous environment: A new approach for simulating reactions in solution. Physical Chemistry Chemical Physics. 16 (9), 4176-4185 (2014).
  2. Okamoto, Y., Sugino, O., Mochizuki, Y., Ikeshoji, T., Morikawa, Y. Comparative study of dehydrogenation at Pt(111)/water and Pt(111)/vacuum of methanol interfaces. Chemical Physics Letters. 377 (1-2), 236-242 (2003).
  3. Santana, J. A., Cabrera, C. R., Ishikawa, Y. A density-functional theory study of electrochemical adsorption of sulfuric acid anions on Pt(111). Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (32), 9526-9534 (2010).
  4. Artrith, N., Kolpak, A. M. Understanding the composition and activity of electrocatalytic nanoalloys in aqueous solvents: A combination of DFT and accurate neural network potentials. Nano Letters. 14 (5), 2670-2676 (2014).
  5. Jinnouchi, R., Kodama, K., Morimoto, Y. DFT calculations on H, OH and O adsorbate formations on Pt(111) and Pt(332) electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry. 716, 31-44 (2014).
  6. Yoon, Y., Rousseau, R., Weber, R. S., Mei, D. H., Lercher, J. A. First-principles study of phenol hydrogenation on Pt and Ni catalysts in aqueous phase. Journal of the American Chemical Society. 136 (29), 10287-10298 (2014).
  7. Desai, S. K., Pallassana, V., Neurock, M. A periodic density functional theory analysis of the effect of water molecules on deprotonation of acetic acid over Pd(III). Journal of Physical Chemistry B. 105 (38), 9171-9182 (2001).
  8. Huang, Z. Q., Long, B., Chang, C. R. A theoretical study on the catalytic role of water in methanol steam reforming on PdZn(111). Catalysis Science & Technology. 5 (5), 2935-2944 (2015).
  9. Chang, C. R., Huang, Z. Q., Li, J. Hydrogenation of molecular oxygen to hydroperoxyl: An alternative pathway for O2 activation on nanogold catalysts. Nano Research. 8 (11), 3737-3748 (2015).
  10. Faheem, M., Heyden, A. hybrid quantum mechanics/molecular mechanics solvation scheme for computing free energies of reactions at metal-water interfaces. Journal of Chemical Theory and Computation. 10 (8), 3354-3368 (2014).
  11. Behtash, S., et al. Solvation effects in the hydrodeoxygenation of propanoic acid over a model Pd(211) catalyst. Journal of Physical Chemistry C. 120 (5), 2724-2736 (2016).
  12. Behtash, S., Lu, J. M., Walker, E., Mamun, O., Heyden, A. Solvent effects in the liquid phase hydrodeoxygenation of methyl propionate over a Pd(111) catalyst model. Journal of Catalysis. 333, 171-183 (2016).
  13. Norskov, J. K., et al. Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode. Journal of Physical Chemistry B. 108 (46), 17886-17892 (2004).
  14. Skachkov, D., Rao, C. V., Ishikawa, Y. Combined first-principles molecular dynamics/density functional theory study of ammonia electrooxidation on Pt(100) electrode. Journal of Physical Chemistry C. 117 (48), 25451-25466 (2013).
  15. Hibbitts, D. D., Loveless, B. T., Neurock, M., Iglesia, E. Mechanistic role of water on the rate and selectivity of Fischer-Tropsch synthesis on ruthenium catalysts. Angewandte Chemie International Edition. 52 (47), 12273-12278 (2013).
  16. Abdelrahman, O. A., Heyden, A., Bond, J. Q. Analysis of kinetics and reaction pathways in the aqueous-phase hydrogenation of levulinic acid to form γ-valerolactone over Ru/C. ACS Catalysis. 4 (4), 1171-1181 (2014).
  17. Wang, H. F., Liu, Z. P. Formic acid xxidation at Pt/H2O interface from periodic DFT calculations integratd with a continuum solvation model. Journal of Physical Chemistry C. 113, 17502-17508 (2009).
  18. Behtash, S., Lu, J., Faheem, M., Heyden, A. Solvent effects on the hydrodeoxygenation of propanoic acid over Pd(111) model surfaces. Green Chemistry. 16, 605-616 (2014).
  19. Montemore, M. M., Andreussi, O., Medlin, J. W. Hydrocarbon adsorption in an aqueous environment: A computational study of alkyls on Cu(111). The Journal of Chemical Physics. 145, 074702 (2016).
  20. Hartnig, C., Grimminger, J., Spohr, E. Adsorption of formic acid on Pt(111) in the presence of water. Journal of Electroanalytical Chemistry. 607, 133-139 (2007).
  21. Hartnig, C., Grimminger, J., Spohr, E. The role of water in the initial steps of methanol xxidation on Pt (211). Electrochimica Acta. 52 (6), 2236-2243 (2007).
  22. Hartnig, C., Spohr, E. The role of water in the initial steps of methanol xxidation on Pt (111). Chemical Physics. 319, 185-191 (2005).
  23. Michel, C., et al. Role of water in metal catalyst performance for ketone hydrogenation: A joint experimental and theoretical study on levulinic acid conversion into gamma-valerolactone. Chemical Communications. 50 (83), 12450-12453 (2014).
  24. Zope, B. N., Hibbitts, D. D., Neurock, M., Davis, R. J. Reactivity of the gold/water interface during selective oxidation catalysis. Science. 330 (6000), 74-78 (2010).
  25. Pavlova, A., Meijer, E. J. Understanding the role of water in aqueous ruthenium-catalyzed transfer hydrogenation of ketones. ChemPhysChem. 13 (15), 3492-3496 (2012).
  26. Saavedra, J., Doan, H. A., Pursell, C. J., Grabow, L. C., Chandler, B. D. The critical role of water at the gold-titania interface in catalytic CO oxidation. Science. 345 (6204), 1599-1602 (2014).
  27. Desai, S., Neurock, M. A first principles analysis of CO oxidation over Pt and Pt66.7%Ru33.3%(111) surfaces. Electrochimica Acta. 48 (25-26), 3759-3773 (2003).
  28. Gohda, Y., Schnur, S., Gross, A. Influence of water on elementary reaction steps in electrocatalysis. Faraday Discussions. 140, 233-244 (2008).
  29. Nie, X. W., Luo, W. J., Janik, M. J., Asthagiri, A. Reaction mechanisms of CO2 electrochemical reduction on Cu(111) determined with density functional theory. Journal of Catalysis. 312, 108-122 (2014).
  30. Michel, C., Auneau, F., Delbecq, F., Sautet, P. C-H versus O-H bond dissociation for alcohols on a Rh(111) surface: A strong assistance from hydrogen bonded neighbors. ACS Catalysis. 1 (10), 1430-1440 (2011).
  31. Neurock, M., Wasileski, S. A., Mei, D. From first principles to catalytic performance: tracking molecular transformations. Chemical Engineering Science. 59 (22-23), 4703-4714 (2004).
  32. Camellone, M. F., Marx, D. On the impact of solvation on a Au/TiO2 nanocatalyst in contact with water. Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (3), 514-518 (2013).
  33. Santana, J. A., Mateo, J. J., Ishikawa, Y. Electrochemical hydrogen oxidation on Pt(110): A combined direct molecular dynamics/density functional theory study. Journal of Physical Chemistry C. 114 (11), 4995-5002 (2010).
  34. Santana, J. A., Saavedra-Arias, J. J., Ishikawa, Y. Electrochemical hydrogen xxidation on Pt(100): A combined direct molecular dynamics/density functional theory study. Electrocatalysis-US. 6 (6), 534-543 (2015).
  35. Bodenschatz, C. J., Sarupria, S., Getman, R. B. Molecular-level details about liquid H2O interactions with CO and sugar alcohol adsorbates on Pt(111) calculated using density functional theory and molecular dynamics. Journal of Physical Chemistry C. 119 (24), 13642-13651 (2015).
  36. Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of Computational Physics. 117, 1-19 (1995).
  37. MacKerell, A. D. Jr, et al. All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins. Journal of Physical Chemistry B. 102, 3586-3616 (1998).
  38. Rappe, A. K., Casewit, C. J., Colwell, K. S., Goddard, W. A. III, Skiff, W. M. UFF, A full periodic table force field for molecular mechanics and molecular dynamics simulations. Journal of the American Chemical Society. 114, 10024-10035 (1992).
  39. Kahn, K., Bruice, T. C. Parameterization of OPLS-AA force field for the conformational analysis of macrocyclic polyketides. Journal of Computational Chemistry. 23, 977-996 (2002).
  40. Kresse, G., Furthmuller, J. Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Computational Materials Science. 6, 15-50 (1996).
  41. Kresse, G., Furthmuller, J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Physical Review B. 54, 11169-11186 (1996).
  42. Kresse, G., Hafner, J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Physical Review B. 47, 558-561 (1993).
  43. Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD - visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics and Modelling. 14, 33-38 (1996).
  44. Xie, T., Sarupria, S., Getman, R. B. A DFT and MD study of aqueous phase dehydrogenation of glycerol on Pt(111): Comparing chemical accuracy versus computational expense in different methods for calculating aqueous phase system energies. Molecular Simulation. 43, 370-378 (2017).
  45. Li, Y., Zhang, X., Srinath, A., Getman, R. B., Ngo, L. B. Combining HPC and big data infrastructures in large-scale post-processing of simulation data: A case3 study in PEARC ’18. Proceedings of the Practice and Experience on Advanced Research Computing. , Article No. 41 (2018).
  46. Bodenschatz, C. J., Sarupria, S., Getman, R. B. Correction to "Molecular-level details about liquid H2O interactions with CO and sugar alcohol adsorbates on Pt(111) calculated using density functional theory and molecular dynamics. Journal of Physical Chemistry C. 120, 801 (2016).

Tags

الكيمياء، 146 مسألة، نظرية الكثافة الوظيفية، وديناميات الجزيئية، المرحلة مائي، الواجهة المائية/الصلبة، الحفز غير المتجانس، أخذ العينات السطحية، وتنجز المعادن الانتقالية، القوة الميدانية، ديناميات الجزيئية منذ البداية، ميكانيكا الكم/ الميكانيكا الجزيئية
عينات متعددة النطاقات من "واجهة محفز" المياه/المعادن غير المتجانسة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية وديناميات الجزيئية القوة الميدانية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bodenschatz, C. J., Zhang, X., Xie,… More

Bodenschatz, C. J., Zhang, X., Xie, T., Arvay, J., Sarupria, S., Getman, R. B. Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics. J. Vis. Exp. (146), e59284, doi:10.3791/59284 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter