Summary
Burada sunulan iletişim kuralı oluşturmak ve yapılandırmaların düz geçiş metal yüzeyi katalitik türler çevresinde sıvı su moleküllerinin yörüngeleri örnek için hedeftir. Örneklenen yapılandırmaları yapıları kuantum mekaniği tabanlı yöntemleri başlangıç olarak kullanılabilir.
Abstract
Çok sayıda kimyasal işlemler heterogeneously katalize sıvı koşullar altında ortaya ama çözücü molekülleri içerecek şekilde gerekli olduğunda bu koşullar altında katalizör işlevini simüle meydan okuyor. Bağ kırma ve bu sistemlerin örnek alınarak süreçleri oluşturan kuantum kimyasal yöntemlerin kullanımını gerektirebilir. Sıvı faz molekülleri sürekli termal hareket altında olduğundan, simülasyonlar de yapılandırma örnekleme dahil etmelisiniz. Bu sıvı moleküllerinin birden çok yapılandırma faiz katalitik her tür için benzetimli gerekir anlamına gelir. Burada sunulan iletişim kuralı oluşturmak ve yörüngeler yapılandırmaları Hesaplamalı gider kimyasal hassasiyetle dengeleyen bir şekilde düz geçiş metal yüzeylerde katalitik türler çevresinde sıvı su moleküllerinin örnek için hedeftir. Özel olarak, güç alanı moleküler dinamiği (FFMD) simülasyonları yapılandırmaları daha sonra kullanılan sıvı moleküllerin yoğunluğu fonksiyonel teori ya da ab initio moleküler gibi kuantum mekaniği tabanlı yöntemleri oluşturmak için kullanılan dinamiği. Bu, bu el yazması göstermek için protokol yolu gliserol (C3H8O3) ayrıştırma dahil katalitik ara ürün için kullanılır. FFMD kullanılarak oluşturulan yapıları içinde DFT solvasyon katalitik türlerin enthalpies tahmin etmek için ve nasıl H2O molekülleri katalitik ayrışımları katılmak tanımlamak için modellenmiştir.
Introduction
Moleküler olayların sıvı koşullar altında heterojen kataliz dahil modelleme anlayış katalitik işlevi için gereklidir; Çünkü kimyasal doğruluk ve hesaplama gider arasında ince bir denge gerektirir ancak, bu zorlu kalır. Genel olarak, kataliz kırma ve kimyasal bağları oluşturan gerektirdiğinden, kuantum mekaniği, en az bir dereceye kadar kullanılması gerekir; Ancak, önemli bilgisayar kaynakları gerektiği uzun simülasyonlar kuantum mekaniği, zorlu. Sıvı faz molekülleri sürekli termal hareket altında olduğundan, simülasyonlar da yapılandırma örnekleme, yani eklemeniz gerekir, her farklı mekansal düzenleme (yani, her biri birden çok kayma düzenlemeler sıvı moleküllerinin eklemeniz gerekir yapılandırma) farklı bir enerji vardır. Bu sıvı moleküllerinin birden çok yapılandırma faiz katalitik her tür için benzetimli gerekir anlamına gelir. Bu ihtiyaçlarını-kuantum mekaniği kullanmak ve katalitik türler-başına birden çok hesaplama gerçekleştirmek için modelleme heterojen kataliz altında sıvı faz içinde hesaplama açısından zorlu hale getirebilir. Burada açıklanan yöntemin amacı altında sıvı faz heterojen kataliz olayları hesaplama açısından uysal imkanı sağlamaktır.
Özellikle sıvı su altında yürütülen heterogeneously katalize reaksiyonlarda ilgileniyoruz. Su molekülleri katalitik türü (örneğin, üzerinden dispersiyon kuvvetleri ve hidrojen bağı)1,2,3,4ile,5 etkileşim gibi katalitik olayları üzerinde önemli etkisi ,6,7,8,9,10,11,12,13,14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , katalitik reaksiyonlar1,7,8,9,15,21,22',24 katılan 23, ,25,26,27ve tepki yolları ve/veya katalitik oranları1,11,12,15, etkileyen 18,23,25,27,28,29,30,31. Bu olayların modelleme QM ve/veya ab initio moleküler dinamiği (AIMD)1,2,6,7,14,22 kullanılarak yapılmıştır ,25,27,28,32,33,34, alan moleküler dinamiği (FFMD)35 zorlamak ve kuantum mekaniği/moleküler mekanik (QM/MM)10. AIMD ve FFMD, sistem içinde atomlar Newton'ın denklemler hareket onları hareket Kuvvetleri göre uyarınca taşınır. FFMD içinde sistem enerji ve kuvvetler deneysel temel parametreli cebirsel ifadeler olan alanlar, kuvvet veya QM verileri kullanarak hesaplanır, ancak AIMD, kuantum mekaniği ile sistem enerji ve Kuvvetleri hesaplanır. QM/MM, kırılma ve şekillendirme bağ oluştuğu sistemin kısmı QM ile hesaplanır ve sistemin geri kalanı güç alanlarını kullanması MM ile hesaplanır. Çünkü onlar doğrudan QM istihdam, AIMD ve QM/MM daha bağ kırma yakalamak için uygundur ve oluşturan sulu faz heterojen kataliz oluşur; Ancak, FFMD önemli ölçüde daha fazla hesaplama açısından uysal ve böylece daha iyi sıvı H2O molekülleri yapılandırmaları oluşturmak için uygun olduğunu. Yöntemi bu protokol için sunulan kimyasal doğruluk ve hesaplama gider QM ve FFMD bir arada istihdam ederek dengeler.
Özellikle, bu yöntem FFMD simülasyonlar sıvı H2O ve QM yapılandırmaları oluşturmak için sistem enerjileri hesaplamak için kullanır. FFMD LAMMPS kullanarak yapılır. 36 FFMD içinde bu çalışmada kullanılan güç alanları istihdam Lennard-Jones + Coulomb (LJ + C) potansiyeller, nerede LJ parametreleri atılmıştır H2O, evrensel güç alanı38 (UFF) için Pt, TIP3P/CHARMM model37 üzerinden ve OPLS-AA güç alanı39 katalitik türler için ve Coulomb parametreleri için H2O TIP3P/CHARMM37 model ve katalitik türler OPLS-AA güç alanı39 dan alınmıştır. Coulomb parametreleri Pt atomlar için 0 olarak ayarlayın. QM hesaplamalar bir yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) kodu olan VASP kod40,41,42, kullanarak yapılır. Su molekülü eklemeleri geliştirilen kod in-house denilen Monte Carlo ile Plug-in için kuantum yöntemleri (MCPliQ) gerçekleştirilir. Dosya dönüşümlerinde VASP üzerinden LAMMPS için bu protokolü ile görsel moleküler Dynamics (VMD) yazılım43gerçekleştirilir.
Protokol vasıl alçak örtmek düz geçiş metal yüzeylerde katalitik türler çevresinde sıvı su moleküllerinin yapılandırmaları oluşturmak amaçlanmaktadır. Kapsamı izotopu θ ve adsorbates yüzey metal atom (yani, yüzey adsorbates metal levhanın katalizör modelindeki en üst katmandaki metal atomları sayısına göre normalleştirilmiş sayı) başına sayısı olarak tanımlanır. Bu makale, düşük kapsama çap ≤ 1/9 tanımlanır monolayer (ML), 1 ML yüzey metal atom başına bir katalitik türü burada anlamına gelir. Katalizör modelleri periyodik simülasyon kutularında yer almalıdır. Simülasyon kutuları küpleri olmak zorunda değil. Bu el yazması sulu faz heterojen kataliz ilgi miktarlarda hesaplamak için kullanılan sıvı H2O yapılandırmaları oluşturmak için iletişim kuralı kullanımını gösterir.
Bu iletişim kuralı kullanıcı VASP, MCPliQ, LAMMPS ve VMD yazılım yüklenmiş ve çalışıyor sürümlerine erişimi olmasını gerektirir. Kendi sitelerinde VASP (https://www.vasp.at/), LAMMPS (https://Lammps.sandia.gov/) ve VMD (https://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/) hakkında daha fazla bilgi mevcuttur. MCPliQ yazılım, https://github.com/getman-research-group/JoVE_article, tüm giriş dosyaları ve bu protokol için belirtilen Python komut dosyaları birlikte belgelenmiştir. Bu iletişim kuralı yürütülebilir dosyaları ve komut dosyaları içinde belirtilen bir yüksek performanslı araştırma bilgisayarda çalıştırılacağını ve kullanıcının $PATH değişkeninde bir dizininde yüklü varsayar. Bir yürütülebilir dosya veya komut dosyası içinde değil bir konuma yerleştirilir Eğer kullanıcı'nın $PATH, o zaman yürütülebilir dosyanın yolunu çalıştırmak dahil edilmelidir. Adım 2.1.2, 2.2.1, 2.2.8, 3.1, 4.2, 5.2 ve 6.1.2 yürütülebilir dosyaları ve komut dosyaları çalıştırılır. Örneğin, adım 2.1.2 kullanıcı olmayan bir dizin'MCPliQ kod çalıştırmasına $PATH, kullanıcı yazarsınız'ın $PATHTOMCPLIQ/mcpliq mcpliq$PATHTOMCPLIQ konumu nerede, yerine komut satırı arabirimi, nerede mcpliq yürütülebilir depolanan (örneğin, $PATHTOMCPLIQ olabilir ~ / bin). Bu iletişim kuralı başlamadan önce tüm yürütülebilir dosyaları ve komut dosyaları çalıştırılabilir izinleri verilmelidir (örneğin, Linux, bu yürütülebilir mcpliq depolandığı dizin komut satırı arabiriminden at chmod + x mcpliq yazarak yapılabilir). Ayrıca, herhangi bir yazılım veya komut dosyaları tarafından gerekli herhangi bir modül yüklü olmalıdır (Bu bağımlılıkları çeşitli yazılım ve bilgisayar simülasyonları çalıştırdığı bireysel kurulumlarına özgü olacak).
Protocol
1. adsorbate yapıyı oluşturmak
- Vakum altında metal yüzeylerde adsorbates imkanı performans gösterdiğini gibi bir supercell periyodik sınır koşulları ile oluşan bir VASP POSCAR dosyası oluşturun. Supercell ilk bir tahmin adsorbate yapısı ve metal yüzeylere yanı sıra yukarıda H2O molekülleri eklemek için adsorbate vakum alanı içermelidir. Bunun nasıl yapılacağı hakkında ayrıntılı bilgi içinde önceki iş35,44sağlanır.
Not: Vakum alanı yüksekliği en az 12 Å adsorbate tepesine yukarıda olması önemlidir. - Yapısı rahatla ve enerjisini VASP kodu kullanarak en aza indirmek. Bunun nasıl yapılacağı hakkında ayrıntılı bilgi içinde önceki iş35,44sağlanır. Bu sonraki bölümde kullanılacak olan CONTCAR adlı bir dosya oluşturur.
2. açık H2O molekülleri Ekle
- 1.2 MCPliQ kod kullanarak adımda oluşturduğunuz CONTCAR vakum alanı N su molekülleri eklemek nerede N ρV, = ρ su yoğunluğu ise V adsorbate yukarıda vakum alanı hacmi.
Not: TIP3P/CHARMM su modeli simülasyon sıcaklığında tarafından belirlenen su yoğunluğu olarak ρ alınmalıdır. V sonraki adımda rafine.- MCPliQ master_input.txt dosyasında aşağıdaki bilgileri belirtin: (N) satırında 28, ikinci bağımsız değişken satırında 28 ve minimum değiştirerek water.txt dosyasının yolunu ilk bağımsız değiştirerek eklemek için H2O molekülleri sayısı ve su molekülleri tarafından en az z-ekseni doğrultusunda 11 ve 12 doğrultusunda maksimum z koordinatını değiştirerek işgal edilebilir supercell maksimum yüksekliği.
- MCPliQ kodu mcpliq su molekülleri CONTCAR dosyasına eklemek için komut satırı arabiriminden yazarak çalıştırın. Bir veya daha fazla dosya dosya uzantısı ile çıkış kodu. POSCAR.
Not: birden fazla POSCAR dosyaları üretilir Eğer onlar POSCAR_n.POSCAR olarak adlandırılır. N en büyük olan dosyayı seçin.
- Bir NPT simülasyon için LAMMPS giriş dosyaları üretir ve FFMD LAMMPS NPT topluluğu kullanarak hücre hacmi equilibrate.
- Komut dosyası lmps_bond_angle.py yürütmek. Lmps_bond_angle.py $filenameyazarak 2.1.2 adımda oluşturulan POSCAR dosyası. POSCAR , $filename adını nerede komut satırı arabirimi. 2.1.2. adımda oluşturulan POSCAR dosyası. Bu komut dosyası $filename adlı bir dosya oluşturur. Tahvil ve LAMMPS veri dosyasında kullanılan açılar listeler POSCAR.bond_angle_info.txt.
- VMD açın ve dosyayı seçin > Molekül dosya tarayıcı penceresi açmak için Yeni molekül ana penceresinde. VASP_POSCAR Belirlemek dosya türü açılır menüsünden seçin. Gözat ' ı tıklatın ve $filename için gidin. POSCAR dosyası. $filename açmak için Yükle ' yi tıklatın. POSCAR dosyası.
- Uzantıları seçerek VMD Tk konsolunda açın > Tk konsol VMD ana penceresinden.
- Tk konsolda aşağıdaki komutu çalıştırın: topo writelammpsdata $WDPATH/data.myadsorbate tam$WDPATH burada VMD LAMMPS veri dosyası yazacağım ve data.myadsorbate LAMMPS veri dosyası adı bilgisayardaki dizini nerede,.
- Data.myadsorbate dosyasının altındaki Tahvil ve açıları bölümünü silin. Sonra $filename dosyasındaki bağı ve açı listeleri ekleyin. Data.myadsorbate içine POSCAR.bond_angle_info.text.
Not: O-H bond tipi ve H-O-H açı türü $filename su molekülleri için dizinler. POSCAR.bond_angle_info.txt dosya her ikisi de 1'e ayarlayın. Böylece, bond ve açı türleri adsorbates için 2 de sayım başlayacaktır. - Data.myadsorbate dosyasını Çift Coeffs bölümüne ve atomlar bölümüne Coulomb parametreleri Lennard-Jones parametreleri ekleyerek düzenleyin. Lennard-Jones ve Coulomb parametreleri H2O molekülleri, adsorbate atomlar ve metal yüzey atomları eklenmesi gerekir.
Not: Pt atomlar, su molekülleri ve bu protokol adsorbate atomlar Lennard-Jones parametrelerini UFF38, TIP3P/CHARMM37ve OPLS-AA39 güç alanları, sırasıyla elde edilir. Coulomb parametreleri su molekülleri ve adsorbates atomlar için TIP3P/CHARMM37 ve OPLS-AA39 güç alanları, sırasıyla elde edilir. Coulomb parametreleri Pt atomlar için 0 bu iletişim kuralı olarak ayarlanmıştır. Alternatif olarak, hesaplanan kısmi ücretleri adsorbate atomlar ve Pt atomlar için Coulomb parametreleri için kullanılabilir. - LAMMPS giriş dosyası input.equil $WDPATH dizinine kopyalar. Grup değişkeni için su oksijen ve su hidrojen atomu atom türü dizin belirtmek için 34 satırındaki ve hatta 35 Pt ve adsorbate atomlar atom türü dizinleri belirtmek için Grup değişkeni Düzenle.
- LAMMPS yazılım yazarak yürütmek mpiexec - np XX lmp_mpi < input.equil adlı komut satırı arabirimi, nerede XX kullanmak için CPU çekirdek sayısı ise lmp_mpi LAMMPS yürütülebilir adı. İş bu-ecek koþmak H2O molekülleri (N), ses (V) ve sıcaklık (Tgetirmek için) sabit sayısı gerçekleştirilen bir FFMD simülasyon ardından H2O yapılandırma iyileştirmek için bir enerji minimizasyonu su sürekli N, basınç (P), bir FFMD simülasyonda ardından simülasyon sıcaklık ve sıcaklık simülasyon kutusu fiziksel olarak doğru yüksekliğini belirlemek için (T). Madde 3 te kullanılan çıktı dosyaları data.myadsorbate_npt ve log.myadsorbate denir.
Not: NPT simülasyon süresi uzun bir "denge" oluşturan için yeterli, supercell hacmi kararlı duruma ve "Koş, ensemble ortalamasını alır örnek için kullanıldığı bir üretim" (burada, supercell yüksekliğini) devreye çalıştırılması gerekir. Denge çalışması sırasında zaman zaman karşı çizilen supercell hacmi kararlı duruma değerine kapalı seviyesine. Bir kez bu oluşur, NPT simülasyon koşmak üretiminde olmak söylenebilir. Denge NPT simülasyon yüksekliği dalgalanmalar supercell (Iz), çok az olduğu veya sabit bir değere yakınsadı emin olarak doğrulayın. Büyük dalgalanmalar meydana gelirse, o zaman H2O yapılandırma timestep 92 input.equil dosyası ve yinelenen adım 2.2.8 satırındaki azaltarak veya tekrar 2.1.1 adımından başlangıç tarafından yeniden oluşturun.
3. hulâsa supercell uygun yükseklik
- Komut dosyası get_npt_lz.py komut satırı arabirimi get_npt_lz.py log.myadsorbate yazarak log.myadsorbate dosyayı yürütmek. Bu komut dosyası avg_lz.txt dosyası NPT simülasyonda "üretim koşmak" bölümünü ortalama supercell yükseklikten çıkarır.
Not: Get_npt_lz.py komut dosyası LAMMPS hücre z-Boyut (Iz) uzunluğu log.myadsorbate dosyasına her 1000 fs (get_npt_lz.py komut satırını 20 özelleştirilebilir), sağlanan input.equil LAMMPS giriş dosyası varsayılan olan yazar olduğunu varsayar. Get_npt_lz.py komut dosyası algılar ve ilk 2 atar lz değerinde ns (get_npt_lz.py komut satırını 19 özelleştirilebilir) değerleri log.myadsorbate dosyasında, simülasyon, kalan 3 ise denge bölümünü oluşturan gibi ns oluşturan " üretim"bölümü ve vardır böylece get_npt_lz.py komut dosyası tarafından ortalama z-boyut uzunluğunu hesaplamak için kullanılır. Avg_lz.txt dosyasına ek olarak, get_npt_lz.py komut dosyası lz değerlerini timestep bir fonksiyonu olarak sağlar, npt_data.txt adlı bir dosya hem de aynı verilerin grafiğini çizer npt_plot.png adlı bir dosyaya verir. Arsa denge NPT simülasyon doğrulamak için kullanılabilir. - Supercell NPT içinde belirlenen ortalama yüksekliği kullanarak yeniden.
- Buraya $WD2PATH, olarak adlandırılan yeni bir dizin data.myadsorbate_npt dosyasını kopyalayın ve data.myadsorbate yeniden adlandırın.
- Lz yükseklik zlo 0.0 ve zhi lz değerdir s üretilen avg_lz.txt dosyasından data.myadsorbate dosya zlo ve zhi değişkenlerinde değiştirerek get_npt_lz.py komut dosyasından ortalama değer çıkış eşit olması yeni data.myadsorbate dosyasını düzenlemek tep 3.1.
4. H2O moleküllerin yapılandırmaları oluşturmak
- LAMMPS giriş dosyası input.prod $WD2PATH kopyalayın. Hatta 32 için su oksijen ve su hidrojen atomu atom türü dizin belirtmek için Grup değişkeni ve hatta 33 Pt ve adsorbate atomlar atom türü dizinleri belirtmek için Grup değişkeni Düzenle.
- LAMMPS yazılım yazarak yürütmek mpiexec - np XX lmp_mpi < input.prod komut satırı arabirimi, nerede XX kullanmak için CPU çekirdek sayısı ise lmp_mpi LAMMPS çalıştırılabilir dosyanın adını içine. Bunu sürekli NVT simülasyon H2O moleküller üzerinde çalışır. Bu simülasyon anahtar çıktı dosyasından dump.myadsorbate.lammpstrj dosyasıdır.
Not: NVT simülasyon süresi uzun bir denge oluşturan için yeterli, nerede devlet sürekli enerji sisteminin geliyor ve üretim bir kaç, hangi topluluk ortalamasını alır (burada, su molekülleri mekansal konumlarını) çalıştırılması gerekir tatmak. Denge çalışması sırasında sistem ne zaman zaman karşı çizilen enerji kararlı duruma değerine kapalı seviyesine. Bir kez bu oluşur, NVT simülasyon koşmak üretiminde olmak söylenebilir.
5. uygun zaman örnekleme hidrojen bağı boyu belirlemek
- Hb_lifetime_dist.py komut dosyası belirtmek için Düzenle: hatta 22, ne sıklıkta çerçeveler üzerinde timestep değişken değiştirerek LAMMPS yörünge dosyaya yazılır FiiliBaşlangıç değişken değiştirerek dump.myadsorbate.lammpstrj dosyasının ilk kare timestep ilk ve son kıtasını komut dosyası düşünmelisiniz 23, satır (yani, yörünge üretim bölümü) hatları 24 ve 25 N_first ve N_last değişkenlerini değiştirme tarafından kullanılıp ardışık kareyi kabul edilir veya çerçeve nevery değiştirerek atlandı değişken hatta 26 ve 27 satırındaki frameLine değişken değiştirerek yörünge dosyasının bölümünü çerçeve başına satır sayısı. Ayrıca, satırları 31 data.myadsorbate dosya içinde atom türleri için adsorbate ait olan ve atom türleri H2O moleküllerine ait belirtmek için 35 arasında düzenleyin.
Not: Hb_lifetime_dist.py komut dosyası H2O yapılandırmaları içinde üretim koşmak analiz eder ve herhangi bir H2O moleküllerini hidrojen için adsorbate bağlı olup olmadığını belirler. O zaman her hidrojen bağ simülasyon zaman değişmeden kalır ve ps hidrojen bağı yaşam birimlerinde dağıtımı bu bilgi raporları sayar. Bu iletişim kuralı ile sağlanan komut dosyasının belirli sürümünü LAMMPS H2O molekülleri yapılandırmasını dump.myadsorbate.lammpstrj dosyasına her 1000 fs sağlanan input.prod LAMMPS giriş dosyası varsayılan olan yazar olduğunu varsayar. Bu algılar ve ilk 2 atar yapılandırmalarda değerinde ns dump.myadsorbate.lammpstrj dosya, simülasyon ve hidrojen bağı yaşam sürelerini hesaplamak için kullandığı kalan 3 ns denge bölümünü oluşturan gibi. - Komut dosyası hb_lifetime_dist.py komut satırı arabirimi hb_lifetime_dist.py yazarak dump.myadsorbate.lammpstrj dosyayı yürütmek. Bunu distribution_HB_lifetime.dat adlı bir dosya oluşturur.
- Dağıtım sırasında NVT simülasyon oluştu hidrojen bağı yaşam görüntülemek için distribution_HB_lifetime.dat dosyasındaki verileri çizmek.
- Hesaplanan hidrojen bağı ömürleri dayalı zaman örnekleme aralığı için kullanmak için zaman aralığı belirleyin. En fazla hidrojen bağı ömür boyu en iyi seçimdir; Alternatif olarak, % 95 güven aralığı yakalamak istiyorsunuz bir değer kullanılabilir.
6. örnek yapılandırmalarını sıvı H2O moleküllerin
- Yapılandırmaları NVT FFMD yörünge daha fazla hesaplamalar için üretim Çalıştır sayısını belirleyin. 5 bölümünde tanımlanan zaman örnekleme aralığından daha büyük veya eşit yapılandırmaları arasında en az zaman, böylece yapılandırmaları sayısı seçilmesi gerekir.
- Ayıklamak için yapılandırmaları sayısını belirtmek için lammps_frames.py komut satırını 21 üzerinde num_frames değişken için varsayılan değeri düzenleyin.
- Komut dosyası lammps_frames.py dosyası dump.myadsorbate.lammpstrj komut satırı arabirimi lammps_frames.py yazarak yürütmek. Bunu dump.myadsorbate.lammpstrj dosyasından ayıklanmasını yapılandırmaları karşılık gelen kez simülasyon listesi çıktısı. Bu yapılandırmalar yapıları AIMD veya QM simülasyonlar başlangıç olarak kullanılabilir.
Not: 1) lammps_frames.py komut dosyasını otomatik olarak LAMMPS günlük ve döküm dosyalarını aynı zamanda döküm dosyası içinde yörünge üretim bölümünü algılar ve döküm dosyası içinde yapılandırmaları sayısı 10 gruplar halinde böler. Alternatif olarak, kullanıcı günlük dosyası, döküm dosyası ve komut satırı arabirimi -l, -d ve - n seçenekleri, sırasıyla kullanarak yapılandırmaları sayısı belirtebilirsiniz. Bunu yapmak için kullanıcı lammps_frames.py - n XX -l $logfilename -d $dumpfilename komut satırı nerede XX yapılandırmaları için istediğiniz sayıyı, $logfilename LAMMPS günlük dosyası adıdır ise $dumpfilename adını arabirimi, yazmanız gerekir LAMMPS yörünge (dökümü) dosyası. Her grupta medyan kez çıktısı alınır simülasyon kez bakın. 2) yapılandırmaları VASP içinde açık LDIPOLE bayrak ile hesaplanacaksa, vakum alanı küçük tabakası supercell su katmanının üstündeki eklenmelidir. Bu yakınsama VASP hesaplamadaki elektronik yapısının kolaylaştıracaktır. Bir ek 3 Å H2O moleküller üzerinde vakum alanı ekleme içinde aşağıda açıklanan simülasyonlar başarılı olmuştur.
Representative Results
Bir bu protokolü sıvı su ve katalitik türü, örneğin, ΔEint35arasında etkileşim enerjileri hesaplamak için kullanılır:
∆Eint=Ekatalitik türler + H2O+Etemiz katalizör yüzey-Ekatalitik türler-Etemiz katalizör yüzey + H2O
Ekatalitik türler + H2Oenerji olduğu yerde bir katalitik bir tür metal bir yüzeye dokunarak Etemiz katalizör yüzeyi Tarih çevresinde H2O moleküllerinin enerji temiz katalizör yüzey vakum, E yapılandırmadır Katalitik türü vakum, metal bir yüzeye katalitik türlerin enerjidir ve Etemiz katalizör yüzey + H2O enerji H2O yapılandırma kaldırıldı katalitik tür katalizör yüzeyle sona erdi. Ekatalitik türler + H2O hesaplamakta kullanılan H2O moleküllerin konumları ve Etemiz katalizör yüzey + H2O aynı olması gerekir. Tüm değerler e VASP kodu kullanılarak hesaplanır. Miktar ΔEint tüm sıvı su yapısı içindeki moleküllerin ve katalitik türler arasındaki fiziksel ve kimyasal etkileşimler içerir ve, katalitik solvasyon entalpisi makul bir tahmin verir türleri, onun serbest enerji solvasyon ve toplam serbest enerji hesaplamak için gereklidir. Tablo 1 Δ için değerleri sağlarEint hesaplanan bir Pt(111) katalizör tür kimyasal formüller eşit CxHyOz için eV (1 eV = 96.485 kJ/mol) birimlerinde ile yüzey için. Değerleri özel kapsamlı ≤1/9 ML.35,46 bildirdi sıvı H2O 10 yapılandırmaları alınan ortalama değerlerdir ve belirsizlikler standart sapmalar rapor edilen hesaplanır. Su ile olumlu etkileşimleri gösteren tüm değerleri negatifsin.
Başka bir uygulama Bu protokol AIMD için başlangıç yapılar üretmektir. Film 1 Bu iletişim kuralı tarafından oluşturulan bir yapılandırma başlatıldı bir AIMD yörünge bir filmdir. Bu film başında, COH adsorbate Pt(111) yüzeyi sıvı H2O. bir çatı altında gösterilen Hangi COH ile hidrojen bağ oluşturduğu bir H2O molekül vurgulanmaktadır. Film boyunca bu H2O molekülün COH adsorbate gelen proton soyutlayan ve ikinci bir hidrojen atomu Pt(111) yüzeyinde mevduat. H2O molekül böylece tepki COH * katalize yardımcı olur + * → CO * + H *, nerede * s katalitik siteleri gösterir. Bu simülasyon asıl gücü ve ana amacı, burada açıklanan multiscale örnekleme yöntemi vurgulamaktadır. H2O moleküllerin çok sayıda yapılandırmaları ile FFMD, hesaplamalı tractability onun gücü nedeniyle oluşturulur. Ancak, bir FFMD bağ kırma ve reaktif güç alanı uygulanır sürece şekillendirme yakalayamazsınız kısıtlamasıdır. AIMD kuantum mekaniği enerjileri hesaplamak için kullanır ve böylece kırma ve şekillendirme bond yakalayabilir. Ancak, AIMD de hesaplama açısından yeterli örnekleme elde sağlamak için gerekli H2O moleküllerin yapılandırmalarının tümünü oluşturmak talep ediyor. Böylece, bu iletişim kuralı için iki yöntem birleştirir.
Sıvı H2O molekülleri Bu yordamla oluşturulan giriş ayarlarına bağlı yapılardır. Bunlar yanlış ayarlanması olabilir su yapıları üzerinde istenmeyen etkileri. Örneğin, cins mesafeler çok küçük olduğunda ya da moleküler dinamiği giriş dosyaları diğer parametrelerinde uygun olmayan şekilde ayarlanır veya unphysical değerleri alır, su yapısı mantıksız olabilir. Bu şartlar altında "unintendedly FFMD yörünge sırasında havaya uçurmak" su yapısı olacak. Buna örnek olarak şekil 1 gösterir. Anlık görüntü sol taraftaki bir FFMD için başlangıç bir yapıdır ve sağ taraftaki simülasyonu başlayan 1 ps içinde alınan anlık görüntüsüdür. Görüldüğü gibi H2O molekülleri yüzeyden uzakta taşındı. Bu simülasyon giriş dosyalarında yapılan yanlış ayarları neden olur ve gerçekte oluşma olasılığı bir yapı değildir.
Şekil 1: Örnek bir negatif sonuç. Güç alanı moleküler dinamiği simülasyon "bir unphysical ayarı veya değeri nedeniyle havaya". Sol görüntü: başlangıç geometri Pt(111) yüzey, adsorbate ve sıvı su yapısı. Sağ görüntü: sıvı su, adsorbate ve Pt(111) yüzey geometrisini yapısı 1 ps sonra. Sağ taraftaki resimde H2O molekülleri unphysically büyük güçleri nedeniyle yüzeyinden ayrıldık. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Film 1: bir yapılandırma oluşturuldu başlatıldığına Ab initio moleküler dinamiği (AIMD) simülasyon multiscale örnekleme. Aslında COH adsorbate bir Pt(111) yüzeye bağlı Hidrojen COH gelen proton soyutlayan ve ikinci bir hidrojen Pt(111) yüzeyinde mevduat değil H2O molekül. Reaktif Güç alanı kullanılmadığı sürece bu bağ kırma ve olayı oluşturan AIMD tarafından ancak güç alanı moleküler dinamiği (FFMD) ile yakalanabilir. H2O molekülleri bu AIMD simülasyon kullanılan ilk yapılandırma FFMD bu el yazması açıklandığı gibi kullanarak oluşturulmuştur. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)
| Katalitik türler | ∆Eint (eV) |
| COH | -0.70 ± 0,07 |
| CO | -0.03 ± 0.03 |
| CH2OH | -0.64 ± 0,12 |
| CHO-CHOH-CH2OH | -0.93 ± 0,22 |
| COH COH CH2OH | -0.87 ± 0,23 |
| COH-CHOH-COH | -1.72 ± 0,26 |
| CHOH-COH-CO | -1.57 ± 0,25 |
| CHO-CO-CO | -0.31 ± 0,19 |
Tablo 1: Su-katalitik tür etkileşim enerji sonuçları. EV etkileşim enerjileri Pt(111) üzerinde sekiz CxHyOz adsorbates için hesaplanır. Değerleri ortalamaları sıvı H2o birden çok yapılandırmaları alınır bildirdi Belirsizlikler Ortalamalar, standart sapmalar vardır. 1 eV = 96.485 kJ/mol.
Discussion
Yöntem olarak sunulan uygulama kolaylığı için seçildi, ancak birden fazla özelleştirmeler yapılabilir. İlk olarak, FFMD simülasyonlar kullanılan kuvvet alanları değiştirilebilir. Güç alanı parametreleri ve/veya potansiyelleri değiştirme LAMMPS giriş ve veri dosyalarını düzenleyerek yapılabilir. Benzer şekilde, solventler H2O dışında istihdam olabilir. Bu değişiklik yapmak istediğiniz solvent molekül eklenecek gerekir başlayarak 2.1.1 adım ve LAMMPS giriş dosyaları uygun potansiyelleri ve parametreleri dahil etmek için düzenlenmiş gerekir. Yeni çözelti molekül ekleme bir .txt dosyası water.txt dosyasına benzer çözücü molekülünün iç koordinatları sağlamak gerekir.
Yüzey döşeme alanı değiştirmek için yapılmış olabilir başka bir değişiklik olduğunu. Bu el yazması ele sonuçları yüzey alanlarını var 120 Å23 Pt x 3 Pt veya 4 Pt x 4 nk yüzey döşeme istihdam. Levha yüzey alanını artırır, hesaplamalı gider de artar. Hesaplamalı gider bu protokolü Bölüm 5 en büyük etkisi vardır. 5 bölümündeki veri işleme adımları hesaplama açısından engelleyici hale gelirse, bu Li vd. 201845 ' ele istihdam edilebilir gibi büyük veri işleme stratejileri yazı.
Bu yordam için belirsizlik olası kaynaklarını istihdam güç alanı, örnekleme yöntemi ve Örnekleme frekansı içerir. Su yapısı kullanılır, güç alanı seçiminde belirli yapılandırmalar H2O moleküllerin etkileyebilir anlam güç alanı tarafından belirlenir. Bizim grup güç alanı H2O moleküller ve Pt atomlar için seçimler FFMD hesaplanan ve seçtiğiniz bir güç alanı daha az 0.1 eV bu etkileşim enerji için katkıda bulunan etkileşim enerjileri etkisi nasıl değerlendirildi. Başka bir belirsizlik faiz miktarı hesaplamak için kullanılan belirli yapılandırmalar etkiler örnekleme yöntemi kaynağıdır. Bizim grup H2O molekülleri daha düşük enerji yapılandırmaları için önyargılı bir "enerji örnekleme" yöntemi ile bu protokol için sunulan "zaman örnekleme" yöntemin performansı karşılaştırıldığında, etkileşim enerjileri DFT içinde hesaplanan ve her ikisi de bulundu Bu örnekleme yöntemleri35,46vermek istatistiksel olarak eşit değerler. Örnekleme frekansı da sonuçları etkileyebilir. Biz nasıl 30.000 10 yapılandırmalarını sayısını artırarak FFMD içinde 40 farklı C3HxO3 adsorbates için hesaplanan ortalama etkileşim enerjileri etkiler değerlendirildi ve örnekleme sıklığı daha az katkıda bulundu ortalama etkileşim enerji440.1 eV.
Bu yöntemin ana sınırlama adsorbates vakum altında yapılar tarafından FFMD simülasyonlar sırasında yaklaşık olduğunu olduğunu. Gerçekte, adsorbates konformasyon değişiklikler (bond uzanıyor, açı virajlı, burulma hareketleri, vb) çözücü molekülleri ile etkileşimleri dahil normal termal hareketleri nedeniyle sergi. Adsorbates konformasyon değişiklikleri FFMD simülasyonlar dahil etmek için girişimleri kuvvet alanlarının ayrıntılı gelişme için katalitik yüzey adsorbates, yani, hangi bağ uzanıyor, açı virajlı ve burulma terimler açıklanmaktadır şartları oluşturan gerektirir, diğerlerinin yanında. Bu iletişim kuralı gelecekteki yönünü biz böyle güç alanları kullanarak hangi ölçüde belirlemek için kullanacağız katı yüzeyler, adsorbates için gelişmekte olan katı adsorbates sonuçları etkiler.
Disclosures
Yazarlar hiçbir çıkar çatışmaları ifşa.
Acknowledgments
Bu Araştırma Ödülü numarası CBET-1438325 üzerinden Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi. CJB NASA eğitim Grant NX14AN43H aracılığıyla burs desteği minnetle kabul edilmektedir. Simülasyonlar CyberInfrastructure teknoloji grubu Clemson Üniversitesi tarafından tutulan Palmetto süper küme üzerinde gerçekleştirilmiştir. Dr Paul J. Meza-Morales protokol test etmek için teşekkür ediyoruz.
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. |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hartnig, C., Spohr, E. The role of water in the initial steps of methanol xxidation on Pt (111). Chemical Physics. 319, 185-191 (2005).
- 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).
- 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).
- Pavlova, A., Meijer, E. J. Understanding the role of water in aqueous ruthenium-catalyzed transfer hydrogenation of ketones. ChemPhysChem. 13 (15), 3492-3496 (2012).
- 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).
- 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).
- Gohda, Y., Schnur, S., Gross, A. Influence of water on elementary reaction steps in electrocatalysis. Faraday Discussions. 140, 233-244 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Plimpton, S. Fast parallel algorithms for short-range molecular dynamics. Journal of Computational Physics. 117, 1-19 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kresse, G., Hafner, J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Physical Review B. 47, 558-561 (1993).
- Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD - visual molecular dynamics. Journal of Molecular Graphics and Modelling. 14, 33-38 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
