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adf:pesexploration2 [2023/12/27 15:52] – [简介] liu.jun | adf:pesexploration2 [2024/05/14 09:20] (当前版本) – [简介] liu.jun | ||
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行 1: | 行 1: | ||
- | ======PES Exploration:氧化物表面的水离解====== | + | ======AMS软件:自动探索表面化学反应机理案例-氧化物表面的水离解====== |
=====前言===== | =====前言===== | ||
- | 本教程基于AMS2023.104,应适用于AMS2023及以上版本。本教程将演示 | + | 本教程基于AMS2023.104,应适用于AMS2023及以上版本。本教程将演示: |
* Basin Hopping和Process Search功能,用于表面吸附分子的吸附 | * Basin Hopping和Process Search功能,用于表面吸附分子的吸附 | ||
* 寻找氧化物表面上水的解离势垒 | * 寻找氧化物表面上水的解离势垒 | ||
行 13: | 行 13: | ||
金属氧化物表面的水吸附在多相催化、电化学和地球化学中很常见。水可以在表面进行分子吸附或解离,并且可以向表面原子和/ | 金属氧化物表面的水吸附在多相催化、电化学和地球化学中很常见。水可以在表面进行分子吸附或解离,并且可以向表面原子和/ | ||
- | ZnO(< | + | ZnO(< |
- | Raymand 等人开发了用于 ZnO 上 H$_2$O 吸附的ReaxFF 力场。本文将使用该力场,来演示如何使用 basin hopping 和 process search,自动发现三种最稳定的水单层吸附类型,以及从一种结构转换为另一种结构的障碍。 | + | Raymand 等人开发了用于 ZnO 上 H$_2$O 吸附的ReaxFF 力场。本文将使用该力场,来演示如何使用 basin hopping 和 process search,自动发现三种最稳定的水单层吸附类型,以及从一种结构转换为另一种结构的能垒。 |
包括如下步骤: | 包括如下步骤: | ||
- 导入吸附在ZnO上的两个水分子的模型(< | - 导入吸附在ZnO上的两个水分子的模型(< | ||
- 运行盆地跳跃(全局优化的一种)以快速发现几个局部最小值,包括半解离构型 | - 运行盆地跳跃(全局优化的一种)以快速发现几个局部最小值,包括半解离构型 | ||
- | - 对半解离构型运行过程搜索,以找到转化为全分子或完全解离构型的障碍。 | + | - 对半解离构型运行过程搜索,以找到转化为全分子或完全解离构型的能垒。 |
- | 注意:虽然本文以ReaxFF来演示这个过程,实际上其他模块如DFTB也是支持的,使用方式除Main的设置不同,其他大同小异。 | + | 注意:虽然本文以ReaxFF来演示这个过程,实际上其他模块如DFTB、BAND也是支持的,使用方式除Main的设置不同,其他大同小异。 |
=====第一步:设置初始体系===== | =====第一步:设置初始体系===== | ||
行 34: | 行 34: | ||
* 找到半解离构型,至少需要2个水分子,因此使用 (2×1) 表面超晶胞 | * 找到半解离构型,至少需要2个水分子,因此使用 (2×1) 表面超晶胞 | ||
- | ====更改 Zn 原子的默认颜色==== | + | ====更改 Zn 原子的默认颜色(非必要,只是为了结果看得更清楚)==== |
+ | 在AMSinput中,Zn和H的默认颜色都是白色。这会使区分原子变得困难。因此,我们将 Zn 的颜色改为棕色。 | ||
+ | - 在SCM → Preferences 中,选择 Colors → Atom colors | ||
+ | - 单击“Default Atom Colors”按钮旁边的加号 | ||
+ | - 在弹出的元素周期表中选择Zn | ||
+ | - 单击preferences窗口中的白色框 | ||
+ | - 在 Selection 框输入颜色# | ||
+ | - 单击“确定” | ||
+ | =====第二步:Basin Hopping===== | ||
+ | PES exploration作业,例如basin hopping、process search,很大程度上受益于平滑的势能面。ReaxFF 包含多个选项来平滑势能面,这里我们使用 taper bond orders 选项,具体设置方式如下。 | ||
+ | |||
+ | ====ReaxFF设置==== | ||
+ | - 切换到ReaxFF模块 | ||
+ | - Force field → ZnOH.ff | ||
+ | - Taper bond orders → Yes | ||
+ | |||
+ | ====Basin hopping设置==== | ||
+ | - Task → PES Exploration | ||
+ | - 点击Task后面的 > 按钮进入 PES Exploration 面板 | ||
+ | - Job → Basin hopping | ||
+ | - Number of expeditions:8 | ||
+ | - Number of explorers:8 | ||
+ | |||
+ | ====固定Slab的底部==== | ||
+ | 保持Slab的底侧(没有水分子的一侧)固定,防止晶体在全局优化过程中出现整体扭曲。将底部需要固定的这部分原子创建为Region,命名例如为bottom_side(创建Region的操作如果不熟悉,请参考:[[adf: | ||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | Model → Geometry Constraints and PES Scan,选中需要固定的这些原子(只选择其中一个也可以),点击 bottom_side (fixed position) 前面的 +(bottom_side即创建Region的名字): | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | |||
+ | 保存并运行作业。 | ||
+ | ====查看结果==== | ||
+ | SCM → Movie: | ||
+ | {{ : | ||
+ | 在右侧,您可以看到basin hopping过程中发现的所有态(局部能量最小值),这里我们发现了 19 个。使用左侧的进度条,或单击右侧的State横线来浏览State。每个State都有一个唯一的编号,State根据能量进行排序,State1 是全局能量最低State。如果存在不同态结构实际上一致的情况,可以在 Movie 窗口的菜单栏 Energy Profile → Increase Spacing消除这种重复。 | ||
+ | |||
+ | 在本例中: | ||
+ | * State 1 应对应于半解离结构。其中一个水分子解离成吸附在表面 Zn 上的OH$^-$和吸附在表面 O 上的 H$^+$。另一个水分子向 OH$^-$和表面 O提供氢键 | ||
+ | * State1-4都对应于半解离态。它们具有相同的能量,但不同之处在于解离的水分子或 OH 键指向的方向 | ||
+ | * State5-6 对应于完全分子吸附。OH 键指向的方向不同 | ||
+ | * State7-8 对应于不太稳定的半解离吸附。OH 键指向的方向不同 | ||
+ | * State 9-10 对应于完全解离吸附。OH 键指向的方向不同 | ||
+ | * State 11-19 对应于较高能量(不太稳定)的结构 | ||
+ | =====第三步:Process search寻找反应能垒===== | ||
+ | 我们从上一步得到的半解离State(即State 1-4)其中之一进行Process search。使用没有水分子穿过周期性边界的State,可视化的时候更方便理解一些,因此上面的例子中,我们可以选择State 1 或 4。 | ||
+ | ====参数设置==== | ||
+ | Process search 的功能,是找到种子State(例如上面说到的State 1或4)到附近能量局部最小值的过渡态。这里,我们对半解离态及其附近能量最小值之间的过渡态感兴趣,因此这里我们使用半解离态作为初始状态,运行一次expedition。 | ||
+ | |||
+ | - 选择上一步Movie中的某个半解离态,例如 state 1 | ||
+ | - File → Update Geometry in Input 更新到 Input 窗口,并另存为一个新的作业,例如名为process_search | ||
+ | - Model → PES Exploration → Job → Process Search. | ||
+ | - Number of expeditions: 1 | ||
+ | - Number of explorers:16 | ||
+ | File → Run运行作业。 | ||
+ | ====结果查看==== | ||
+ | SCM → Movie: | ||
+ | |||
+ | {{ : | ||
+ | 本例中: | ||
+ | * State 1是半解离状态(局部最小值) | ||
+ | * State 2是分子状态(局部最小值) | ||
+ | * State 3是解离状态(局部最小值) | ||
+ | * State 4是状态 1 和 3 之间的过渡状态 | ||
+ | * State 5是状态 1 和 2 之间的过渡状态 | ||
+ | * State 6-9是不太稳定的结构(最小值和过渡状态) | ||
+ | 可以重新排列能量图,以更好地突出比较有趣的态 1-5: | ||
+ | - 双击y轴修改 Unit 为 kcal/mol | ||
+ | - 选择所有不感兴趣的态(这里例如State 6),Ctrl+Delete | ||
+ | - 选择感兴趣的态(这里例如State 1-5),并可以用按键 Ctrl ← 或Ctrl → 将其向左、右移动 | ||
+ | |||
+ | 最后可以排列成这样: | ||
+ | {{ : |