专栏名称: 研之成理

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研之成理第四届固体与表面理论与计算中级培训班（催化计算专场）

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2020-04-11 08:00

正文

4 天， 12h 视频无限回放， 2000 核时免费超算试用，光速 掌握理论催化 计算。掌握一门技能，疫情弯道超车的绝好机会。

注意：此课程 不是面向0基础的同学，必须曾经参加过线上或者线下初级班（第五届“固体与表面”理论计算初级班（线上培训班））或者有至少一年的理论计算经验才能跟上课程进度。

培训时间：2020 年 04 月 2 7 号 - 2020 年 04 月 30 号， 4 天，每晚 7：00 开始，每次时长约 2- 3 h。

课程内容

一、计算参数设置速览

常见计算输入文件模板，原子坐标快速固定，固定晶格基矢优化，不同泛函使用参数，DFT+U 方法，杂化泛函设置，磁性体系设置（FM，AFM），范德华校正-DFTD3，vdW-DF，提升计算速度的技巧，程序的编译。

二、 表面催化反应热力学和动力学

表面热力学

原子堆积方式，FCC、HCP、BCC，Miller 指数，高 miller 指数晶面与台阶面，表面弛豫与重构，对称和非对称的 slab 模型，表面能计算，金属表面能和功函数据库，原子坐标固定，纳米颗粒的结构和表面能关系，Wulff construction 构建，纳米催化中的晶面效应。吸附类型（化学吸附、物理吸附、解离吸附），吸附能计算，吸附位点，吸附计算注意事项，吸附物种间的相互作用，覆盖度，平均吸附能，最后一分子的吸附能。化学平衡，表面吸附平衡，Langmuir 吸附等温式与前提假设，熵变对吸附的影响，覆盖度和温度/压力/吸附能关系计算，多组分气体吸附平衡，催化剂中毒微观原理，表面化学势的计算与表面热稳定性计算，催化剂中毒常见案例。表面催化热力学计算研究思路。表面缺陷态的稳定性。

过渡态搜索

过渡态判据，无过渡态反应类型，寻找过渡态方法综述，chain-of-states 搜索方法和原理，传统 PEB 方法(plainelastic band)方法遇到的问题，NEB 中 nudge 过程原理，Climbing Image 原理，判断插点个数，插点方法，nebmovie.pl 生成 movie 判断插点合理性，CINEB 的 INCAR 关键词和计算方法，VTST 优化算法解析，nebresults.pl，nebbarrier.pl, nebspline.pl, nebef.pl 等 VTST 脚本，neb.dat、spline.dat、exts.dat、mep.eps 文件自动判断NEB路径上的极值点，Dimer 方法原理，选择 Dimer，平移 Dimer 过程，Dimer 发展历史，Dimer 的 INCAR 关键词和计算方法， MODECAR 生成，DIMCAR、CENTCAR 和 NEWMODECAR 解读，生成 DIMER 方向 movie 预判过渡态计算是否成功，VTST 过渡态计算收敛判断，过渡态搜索常见问题和解决方案。扩散系数与离子电导计算。NEB+Dimer 高效搜索过渡态，neb2dim.pl。NEB 计算线性插点的问题，IDPP 插点原理，使用 pymatgen-diffusion 和 pymatgen 做 IDPP 非线型插点。

频率计算与热力学数据计算

Hessian 矩阵，力常数矩阵对角化，孤立和吸附分子振动区别，零点振动能，有限位移频率计算，Jmol 观察振动，振动数据提取和分析。系综配分函数，分子配分函数，热力学量与配分函数的关系，内能、亥姆霍兹自由能、焓、吉布斯自由能、熵、等容热容、等压热容，理想气体假设，能量成分的拆分，平动、转动、振动、电子跃迁的配分函数，和其对各种热力学量的贡献计算，振动频率、温度和熵的关系，0K 热力学数据校正计算，实际温度热力学数据校正计算，VASPKIT 计算吸附分子热力学量，吸附分子和孤立分子的热力学量计算区别。气体分子的自由能校正，查实验数据热力学表 JANAF-NIST，使用 Gaussian 程序做频率计算得到热力学数据，VASPKIT 计算孤立分子热力学量。

化学反应速率常数计算

基元反应，单分子多分子基元反应速率方程，稳态平衡和速率方程关系，反应速率常数计算，Arrhenius equation，eyring equation 推导，指前因子计算，表观活化能拟合，过渡态理论，准平衡态假设，过渡态络合物，透热系数，Recrossing 问题，判断基元反应是否容易发生，Eyring 过渡态理论的局限性，Δ G a/温度/反应速率常数 k 之间的关系，半衰期，谐振过渡态理论 HTST 公式，吸附和脱附步骤反应速率，Knudsen-Langmuir equation，隧穿效应，Wigner 方法计算透热系数。

催化反应机理

Langmuir-Hinshelwood (LH) mechanism，Eley-Rideal (ER) mechanism，Mars-Van Krevelen (MvK) mechanism，及其速率方程组。LH 实例合成氨反应，ER 实例Volmer-Heyrovsky HER，MvK 实例低温 CO 氧化反应。催化循环和总包反应能量。

三、催化体系常见 电子结构分析

态密度

态密度和能带形成的基本理论，案例分析（单原子催化剂，表面离子缺陷态，表面态，d带中心，催化吸附的轨道相互作用模型），态密度计算方法，p4vasp 和 VASPKIT 后处理分析，态密度的积分，pymatgen 自动画态密度图，K 点选取和 ISMEAR 对态密度计算影响，DOSCAR 详解，过渡金属的d带中心理论，N ₂ 分子和表面团簇催化剂的轨道相互作用模型分析。轨道相互作用基础知识，高斯计算提取分子轨道，载体和吸附分子态密度作用分析，CO/Ni，N ₂ /Fe ₃ 催化剂的轨道相互作用模型分析。

电荷密度和原子电荷

CHCGAR等格点文件格式，分解 CHGCAR 成 tot 和 mag，VESTA 作等值面图，二维切面图。VASPKIT处理电荷密度文件，电荷密度差分，分子 CO，N ₂ 吸附前后的电荷密度差，石墨烯插锂前后的电荷密度差；变形电荷密度；外场下的电荷密度差；平面平均的电荷密度差。Partial charge density 计算方法流程，实空间波函数提取，绘制分子的分子轨道图，绘制 VBM 和 CBM 的电荷密度/波函数，绘制缺陷态/隙间态的电荷密度/波函数，研究激发电子的分布，STM 计算和 Partial Charge Density 对应关系，STM “针尖偏压” 和 “恒定高度”模拟。Bader 电荷，全电子电荷密度生成，AIM(atom-in-molecule) 电荷划分方法，按照原子电荷着色的结构图。

ELF、静电势 、功函 、COHP

静电势/功函数概念和计算方法，异质结静电势，静电势分析表面负载团簇的电子流向，分子表面或载体表面静电势分布，受阻路易斯酸碱对。电子定域化函数(ELF)，ELF 研究表面催化反应过渡态、电子化合物、缺陷态、分子团簇、吸附分子。COHP方法计算键强度简单介绍。

四、电催化计算

计算电催化基础

ORR、OER、HER、HOR 反应机理，Norskov 模型过电势计算，台阶图计算，电催化基元步骤自由能变计算，OER 实例，M-N ₄ /graphene，溶液的 pH 影响，NRR，CO ₂ RR 机理。电催化火山曲线。

课程特色

内容全面： 让表面科学计算的同学能够系统性的学习一遍计算知识和程序操作，让学员能够对此领域的一些知识具有更加深刻的认识。 这些内容在任何学校开设的研究生课程中都是学不到的，甚至是网上大多数人也不愿意分享的知识 。课上还会不断的穿插 顶刊文献 ，让学员知道如何把学到的知识用到顶刊的研究中。

简化操作： 每类计算都会给出多个实例和详细的输入文件，针对不同的情况选择不同的输入文件，搭建合理的结构模型，就可以把课上内容应用到自己的科研当中。课上会提供超算账号，在完全的实战环境下学习。淘汰老的计算脚本和方法， 把当前最好用最容易上手的脚本和方法分享，对新手极度友好，不走任何弯路。

课程系列： 研之成理「固体与表面理论计算培训班」分为 初级班 和 中级班 。中级班又分为表面科学计算方向和材料科学（固体）计算方向。初级班针对 0 基础（此 0 基础是指有本科物理或者化学专业基础课的知识背景）的学员，涵盖了第一性原理计算基础知识和常见的计算方法，是学习第一性原理计算入门最快最有效的方法。中级班则采用分专题的方式讲授，课程的深度广度都比初级班增加不少。 参加中级班一定要有第一性原理计算基础（至少一年以上的学习使用经验），一些在初级班上讲过的基础内容中级班不会重复！ 三个课程的涵盖内容可以用如下的图表示：

此次催化专场是表面方向的精华版，把原本3天半的课程，取出和催化计算直接相关的，压缩成4个半天的课程。大约包含了线下表面场50 %的课程内容。