BAND

Posted · Add Comment
band

PbO2的部分态密度分析:相对论与非相对论比较 Pb的6s轨道由于相对论效应而导致的收缩,使得电池电压从2.4V提高到12V。

BAND并行效率非常高。对单胞约700原子(含42个Cu原子、24I原子、288个C原子、60个N原子)的MOF材料,K点取3*3*1,进行高精度能带计算,在16核服务器上耗时约44小时,128核耗时约6小时。

对于1000原子的1维体系,使用PBE泛函、7000个基函数、1个k点(由于体系很大,设置为1个k点是合适的),进行几何优化(CPU:4节点*16核),优化十步后几何结构收敛,耗时10小时。

主要功能:


案例1(Nature Comm.,2019):

近年来,由于天然气产量激增,化学原料需求向较轻的碳氢化合物,特别是甲烷转移。合成气(CO和H2)转化的效率,关键取决于催化剂对甲烷和二氧化碳产生的抑制能力。本文作者设计了一种Co/Mn/Na/S催化剂,该催化剂的水-气转换活性可以忽略不计,烃的产物谱也偏离了Anderson-Schulz-Flory分布。在240 °C和1 bar压强下,C2-C4烯烃选择性为54%。10 bar压强下,低碳烯烃和燃料的选择性分别为30%和59%。该催化剂由直径约10 nm的处于hcp金属相Co纳米颗粒组成。作者认为Na与S在Co表面作为电子促进剂,产生协同效应,从而提高了对低碳烯烃与燃料的选择性,同时也大大减少了甲烷和二氧化碳的生成。

Nature Communications, volume 10, Article number: 167 (2019)

文中使用AMS软件中的BAND模块计算了Na2S和Na2O在Co(0001)表面的成键结构。Na2O(图a)与Na2S(图b)在Co表面的结合方式非常相似。只不过O原子在一个亚表面钴原子上方,而S原子在一个空位上方。原包外的原子由较小的球表示,蓝色表示Co,橙色表示Na,黄色表示S,红色表示O。


案例2(WIREs Comput. Mol. Sci., 2018)

化学键的概念,如共价键、离子性、泡利排斥、共享电子,或施主-受体键,是对我们丰富的化学知识进行归纳,以及预测新反应活性的重要工具。电子结构分析为理解这些概念的根源提供了基础。能量分解分析(EDA)是一种成熟的分子分析方法,最近在表面和固体中得到了应用,被称为周期性EDA(pEDA)。本文概述了该方法的基础和应用,该方法可用于推导成键的概念。在分子和固体化学中,用于研究分子与表面的吸附和反应(例如有机分子与半导体表面的相互作用)。基于电子结构分析和定量方法的支持,我们证明了类似键的概念可以应用在不同的化学环境中。


原文阅读:https://doi.org/10.1002/wcms.1401


案例3(J. Am. Chem. Soc.2018

诺贝尔奖得主Roald Hoffmann是Amsterdam Modeling Suite(AMS)的忠实用户,Roald Hoffmann在本文中使用了AMS中的BAND模块的新功能Crystal Orbital Overlap Populations(COOP),结合基于对称性的成键分析,对卤化物钙钛矿的成键与能带特性进行了定性与定量计算分析,展示了金属-卤化物轨道相互作用如何产生能带的“镜像”现象、如何控制带隙,并展示了相对论效应对该体系能带结构与带隙的显著影响。

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (40), pp 12996–13010

镜像是由Pb的6s与Br的4p组合产生的,它在布里渊区内移动的机理也得到清楚的阐释。阳离子替换为有机阳离子时,镜像现象仍然存在,即使晶格发生一定程度的扭曲也仍然存在这种现象。本文预测了当Pb2+替换为Sn2+或Ge2+,以及更换卤素,对能带的影响。本文也研究了最低的三个导带,发现了第二个镜像。对CsPbBr3而言该镜像由Pb的6p和Br的4p结合产生。

理解这些镜像的形成、在倒空间的移动,从而设置导带最低值,可以让我们看到为什么是直接带隙。BAND的轨道分析功能,为这类热门材料的能带工程提供了化学的、直观的图像。

本文COOP功能的原始计算数据重现教程(请点击)


案例4(Angew. Chem. Int. Ed., 2017)

通过计算化学研究表明,在超高真空条件下,醚分子在Si(001)表面的吸附可以用有机化学的经典概念来理解。两步反应机理的详细分析:1)醚的氧原子与Lewis酸性表面原子之间形成的配价键(DB);2)附近Lewis碱性表面原子的亲核攻击表明,它反映了溶液中酸催化的醚裂解。

O-Si键是这类键中最强的,并且第2步的反应活性违背了Bell-Evans-Polanyi原理。本文使用一种新的键分析方法(pEDA-NOCV),对C-O键解离过程中的电子重排进行了可视化的研究。

Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15150 –15154

结果表明,半导体表面亲核取代的机理与Sn2分子反应的机理是一致的。我们的发现表明了表面科学和分子化学如何相互受益,并得到意想不到的洞察方式。


案例5(ACS Catal,2016):

使用BAND进行高质量计算理论计算,合理解释了纳与硫这种特别的助催化剂组合:催化剂的活性相是铁的碳化物,其中碳参与了反应机理;硫原子与铁原子的结合很特别,不会阻挡碳原子,产生了次紧邻相互作用,从而将助催化剂的作用最大化。

纳硫是铁基费-托催化的很好的助催化剂

ACS Catal. 6, 3147-3157 (2016)

BAND能够正确地处理表面的边界条件,因此能够体现助催化剂和/或衬底在垂直于表面的极化效应。表面的计划对催化效果有很大的影响,因为电荷的分布能够左右反应路径。


案例6(Langmuir,2011):

使用BAND的色散修正泛函DFT (revPBE-D3)研究了真空中以及在二氧化硅沉底上的单层石墨烯上,水分子的吸附状态。虽然二氧化硅衬底没有影响石墨烯的电子结构,但将真空石墨烯上,水分子的结合能从207meV增大到257meV。二者吸附结构也不同。

WaterGraphene

Langmuir, 27, 11026-11036 (2011)

 


案例7(Phys. Rev. Lett.,2011):

传统的铅-氧化铅电池已经有一个世纪的历史了,能够有实际用途,是由于每个伏打电池单元能够产生2V以上的电压,多个电池串联能够达到驱动电动机,锡化学性质与铅非常相近,但与铅相比,相对论效应小很多,导致锡电池产生的电压也远小于铅。

Physical Review Letters 106, 018301 (2011)

Physical Review Letters 106, 018301 (2011)

本文从理论上阐明了铅、锡以及不存在相对论效应的“假想铅”的巨大差别。


更多信息参考

  • 了解更多BAND功能、中文实例教程、文献重现、学习量子化学基础知识,请访问 费米维基 >> AMS知识库