Name: multiscale sampling of a heterogeneous water/metal catalyst interface using density functional theory and force-field molecular dynamics
Uploaded: 2019-04-12T14:45:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics at JoVE.com

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.

المؤلفون بالكشف عن لا تضارب في المصالح.

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.

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).

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

multiscale sampling of a heterogeneous water/metal catalyst interface using density functional theory and force-field molecular dynamics

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.

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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/59284fig1v2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-</a>
<img alt="Movie 1" src="/files/ftp_upload/59284/59284mov1.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59284/movie1.mp4" target="_blank">من فضلك انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بالزر الأيمن التحميل.)</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>الأنواع الحفاز</td>
			<td>∆Eint (eV)</td>
		</tr>
<tr>
<td>COH</td>
			<td>-0.70 ± 0.07</td>
		</tr>
<tr>
<td>أول أكسيد الكربون</td>
			<td>-0.03 ± 0.03</td>
		</tr>
<tr>
<td>يا سي إتش2</td>
			<td>-0.64 ± 0.12</td>
		</tr>
<tr>
<td>أوه شو-شوح-الفصل2</td>
			<td>-0.93 ± 0.22</td>
		</tr>
<tr>
<td>يا COH-COH-الفصل2</td>
			<td>-0.87 ± 0.23</td>
		</tr>
<tr>
<td>COH-شوح-COH</td>
			<td>-1.72 ± 0.26</td>
		</tr>
<tr>
<td>شوح-COH-أول أكسيد الكربون</td>
			<td>-1.57 ± 0.25</td>
		</tr>
<tr>
<td>شو-CO-أول أكسيد الكربون</td>
			<td>-0.31 ± 0.19</td>
		</tr>
</tbody></table>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.

Watch this Scientific Journal Video about Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics at JoVE.com

Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics

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.

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

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions ...

نماذج البروتوكول، والظواهر الحرارية والكمومي في الحفز غير المتجانسة في المرحلة السائلة. وهو الأول، على حد علمنا، لدمج ميكانيكا الكم مع أخذ عينات كاملة من بيئة سائلة واضحة. تمثل تكوينات الجزيئات السائلة المتولدة عن هذا البروتوكول تلك الجزيئات المتوقعة في ظل ظروف التفاعل الفعلي ويمكن استخدامها لاستكشاف ظواهر المستوى الجزيئي التي تعتمد على الترتيبات المكانية للجزيئات.تكوينات من الجزيئات السائلة التي يولدها هذا البروتوكول توفر نظرة ثاقبة في الأدوار التي تلعب المذيبات على الحفز غير متجانسة المرحلة السائلة. إذا كنت تحاول هذا البروتوكول للمرة الأولى ، فإنني أوصيك أولاً بالتأكد من أن لديك إمكانية الوصول إلى برنامج VASP و MCPliQ و VMD و LAMMPS وتشغيله. إثبات الإجراء سيكون تيانجون شي، طالب دراسات عليا من مختبري.بعد توليد هيكل الممتزات، توليد ملفات الإدخال LAMMPS لمحاكاة NPT وتكبيل حجم الخلية باستخدام FFMD. نسخ ملف الإدخال LAMMPS في دليل العمل. تحرير متغير المجموعة على الخط 34 للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات الأكسجين والماء الهيدروجين.في متغير المجموعة على الخط 35، للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات البلاتين والممتز. على السطر 17 من ملف الإدخال، تحرير متغير خطوة التشغيل لتعيين مدة محاكاة معاهدة عدم الانتشار لفترة طويلة بما يكفي لتضم تشغيل التوازن والإنتاج. تنفيذ برنامج LAMMPS، عن طريق كتابة الأمر في واجهة سطر الأوامر، والذي يتضمن معلومات عدد من أساسيات وحدة المعالجة المركزية لاستخدام واسم الملف التنفيذي LAMMPS.يقلل من الطاقة إلى أدنى درجة من تكوين جزيء الماء ويتبعه محاكاة FFMD التي يتم تنفيذها بعدد ثابت من جزيئات الماء والحجم ودرجة الحرارة لجلب الماء إلى درجة حرارة المحاكاة. ثم يتم تشغيل محاكاة FFMD أخرى في عدد ثابت من جزيئات الماء والضغط ودرجة الحرارة لتحديد الارتفاع الصحيح جسديا من مربع المحاكاة. سيتم استخدام ملفات الإخراج لاحقاً.بعد محاكاة معاهدة عدم الانتشار، رسم ارتفاع supercell مع الزمن. النقطة التي المستويات قبالة إلى قيمة ثابتة هي نقطة في محاكاة معاهدة عدم انتشار الأسلحة النووية عندما يمكن أن تبدأ الإنتاج. التحقق من توازن محاكاة معاهدة عدم الانتشار عن طريق ضمان أن تكون التقلبات في ارتفاع الخلية العظمى ضئيلة أو أن تكون قد تقاربت إلى قيمة ثابتة.في حالة حدوث تقلبات كبيرة، افتح الإدخال. ايكيل الملف وخفض الوقت على الخط 92 لتجديد تكوين جزيء الماء وتنفيذ برنامج LAMMPS كما كان من قبل. للبدء، اكتب في واجهة سطر الأوامر لتنفيذ البرنامج النصي.هذا السيناريو المخرجات ارتفاع الخلية المتوسطة من إنتاج تشغيل جزء من محاكاة معاهدة عدم الانتشار إلى ملف TXT. يقرأ البرنامج النصي طول البعد z للخلية في فواصل 1,000 femtosed، وهو الفاصل الزمني الافتراضي لطباعة المعلومات في LAMMPS. إذا كان هناك حاجة إلى فاصل زمني طباعة مختلف، يمكن تغييره عن طريق تحرير الخط 20 من get_npt_lz.py النصي والخط 16 من المدخلات LAMMPS. ايكيل الملف. يكتشف البرنامج ويتخلص من أول نانو ثانية بقيمة قيم lz ، حيث أنها تشمل جزء التوازن في المحاكاة.يمكن تغيير مدة تشغيل التوازن عن طريق تحرير سطر 19 من الملف. أما النانو ثانية الثلاثة المتبقية فتتكون من جزء الإنتاج، وبالتالي تستخدم لحساب متوسط طول البعد z. بالإضافة إلى ذلك، يقوم البرنامج النصي بإخراج ملف TXT آخر يوفر قيم lz كدالة لـ timestep بالإضافة إلى ملف PNG، والذي يرسم نفس البيانات.ويمكن استخدام هذه المؤامرة للتحقق من توازن محاكاة معاهدة عدم الانتشار. لإعادة بناء الخلية الفائقة باستخدام متوسط الارتفاع المحدد في معاهدة عدم الانتشار، انسخ ملف البيانات الذي تم إنشاؤه سابقًا في دليل عمل جديد وتسمّه باسم data.myadsorbate. ثم تحرير ملف البيانات الجديد لتغيير zlo إلى 0.0 و zhi إلى قيمة lz من متوسط قيمة الإخراج في ملف TXT.نسخ ملف الإدخال LAMMPS في دليل العمل الجديد. تحرير متغير المجموعة على الخط 32 للإشارة إلى فهارس نوع الذرة لذرات الأكسجين والماء الهيدروجيني والمتغير المجموعة على الخط 33 للإشارة إلى مؤشرات نوع الذرة لذرات البلاتين والممتزات. ثم على سطر 16 ، تحرير المتغير runStep بحيث يكون طويلا بما يكفي لتضم تشغيل التوازن وتشغيل الإنتاج.اكتب الأمر لتنفيذ LAMMPS في واجهة سطر الأوامر لتنفيذ برنامج LAMMPS. هذا سيتم تشغيل محاكاة NVT ثابت على جزيئات الماء، ويتم إنشاء ملف الإخراج الرئيسي. تتكون محاكاة NVT من جزء توازن وجزء إنتاج.يبدأ جزء الإنتاج عندما يتم رسم طاقة النظام مقابل مستويات الوقت. للبدء، افتح نص السندات الهيدروجين مدى الحياة. تغيير متغير بدء الفعلي على سطر 22 لتعيين وقت الإطار الزمني الأول.تغيير متغير المسار الزمني على سطر 23 لتعيين عدد مرات كتابة الإطارات إلى ملف مسار LAMMPS. تغيير N_first و المتغيرات N-آخر على سطر 24 و 25 لتعيين أول وآخر وقت 22، وتغيير متغير nevery على سطر 26 لتعيين ما إذا كان يتم النظر في إطارات متتالية أو تخطي. تعيين عدد الأسطر لكل مقطع إطار من ملف المسار عن طريق تغيير متغير خط الإطار على سطر 27.بالإضافة إلى ذلك، تحرير الأسطر من 31 إلى 35، لتحديد أي أنواع atom ضمن البيانات. تنتمي myadsorbate ملف إلى التمز، وأنواع ذرة التي تنتمي إلى جزيئات الماء. السيناريو يحلل تكوينات المياه في تشغيل الإنتاج ويحدد ما إذا كانت أي جزيئات الماء الهيدروجين المستعبدين إلى الامتزاز.ثم يحسب وقت المحاكاة أن كل رابطة الهيدروجين لا تزال سليمة والتقارير هذه المعلومات كتوزيع عمر السندات الهيدروجين في وحدات picoseconds. LAMMPS يكتب تكوين جزيئات الماء إلى الملف كل 1000 femtoseconds، وهو الافتراضي في ملف الإدخال LAMMPS المقدمة. وهو يكتشف ويتخلص من أول اثنين نانو ثانية بقيمة التكوينات في الملف لأنها تشكل جزء التوازن من المحاكاة ويستخدم نانو ثانية الثلاثة المتبقية لحساب عمر السندات الهيدروجينية.لتنفيذ البرنامج النصي، اكتب في واجهة سطر الأوامر. ثم يقوم بإنشاء ملف DAT. رسم البيانات في الملف لعرض توزيع العمر السندات الهيدروجين التي حدثت أثناء محاكاة NVT.لتحديد زيادة الوقت لاستخدام الفاصل الزمني أخذ العينات الوقت استخدام زيادة وقت أكبر من أو يساوي إلى الحد الأقصى للرابط الهيدروجين. تحديد عدد التكوينات من تشغيل الإنتاج لمسار NVT FFMD إلى عينة بحيث يكون الحد الأدنى للوقت بين التكوينات يساوي أو أكبر من الفاصل الزمني لأخذ العينات الزمنية التي تم تحديدها سابقاً. على البرنامج النصي استخراج الإطار المكتوبة مسبقاً، قم بتحرير القيمة الافتراضية لعدد الإطارات المتغيرة على سطر 21 لتحديد عدد التكوينات لاستخراجها.لتنفيذ البرنامج النصي، اكتب اسم البرنامج النصي في واجهة سطر الأوامر. هذا سوف يخرج قائمة من أوقات المحاكاة المقابلة للتكوينات التي ينبغي استخراجها من ملف المحاكاة NVT. ويمكن استخدام هذه التكوينات كهياكل بداية في محاكاة AIMD أو QM.وفي هذا الإجراء، استُخدمت هذه الجزيئات لتوليد التكوين الأولي لجزيئات الماء. تُظهر محاكاة AIMD أن جزيء الماء الذي هو في الأصل مستعبد الهيدروجين إلى مُزدِم كحول السكر على سطح البلاتين-111 يُلخص الهيدروجين من مُزازات الكحول ويودع هيدروجين ثانٍ على سطح البلاتين-111. تعتمد هياكل جزيئات الماء السائل على إعدادات الإدخال.وضع هذه بشكل غير صحيح يمكن أن يكون لها تأثيرات غير مقصودة على هياكل المياه. في هذا الشكل، الجانب الأيسر هو بنية البداية لتشغيل FFMD. والجانب الأيمن هو في إطار picosecond واحد من بدء المحاكاة.وتفجر محاكاة الـ FFMD بسبب إعدادات القوة الكبيرة بشكل غير سفلي، مما يتسبب في تحرك جزيئات الماء بعيداً عن السطح. يمكن استخدام التكوينات في ميكانيكا الكم، أو محاكاة QMM، أو يمكن استخدامها لتحليل الإحصاءات المتعلقة بالمواضع المكانية للجزيئات. هذه التقنية تمهد الطريق للباحثين لاستكشاف الأدوار التي لبيئات التفاعلات السائلة على الحفز من خلال توليد التكوينات الفعلية للجزيئات السائلة في واجهات الحفاز.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

طبقة تلو طبقة تجميع ونقل طليق مترافق الصغيرة التي بوليمر Nanomembranes

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

HKUST-1 as a Heterogeneous Catalyst for the Synthesis of Vanillin

HKUST-1 بمثابة محفز غير المتجانسة للتوليف ونيلين

Vanillin (4-hydoxy-3-methoxybenzaldehyde) is the main component of the extract of vanilla bean. The natural vanilla scent is a mixture of approximately ...

Facile Synthesis of Worm-like Micelles by Visible Light Mediated Dispersion Polymerization Using Photoredox Catalyst

توليف سطحي من المذيلات تشبه دودة من الضوء المرئي وساطة التشتت البلمرة عن طريق Photoredox محفز

Presented herein is a protocol for the facile synthesis of worm-like micelles by visible light mediated dispersion polymerization. This approach begins ...

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

التوليف والأوصاف الأداء من المعادن الانتقالية ذرة واحدة محفز للحد من2 CO الكهروكيميائية

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

Preparation of Functional Silica Using a Bioinspired Method

إعداد والسليكا الوظيفية باستخدام أسلوب بيوينسبيريد

The goal of the protocols described herein is to synthesize bioinspired silica materials, perform enzyme encapsulation therein, and partially or totally ...

Heterogeneous Removal of Water-Soluble Ruthenium Olefin Metathesis Catalyst from Aqueous Media Via Host-Guest Interaction

إزالة غير متجانسة الحفاز الناتج اوليفينيه الروثينيوم للذوبان في الماء من الوسط المائي عن طريق التفاعل الضيف المضيف

A highly efficient transition metal catalyst removal method is developed. The water-soluble catalyst contains a newly-designed NHC ligand for the catalyst ...

Imaging Corrosion at the Metal-Paint Interface Using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry

التصوير التاكل في واجهه الطلاء المعدني باستخدام مقياس الطيف الطيفي الثانوي لأيونات الطيران

Corrosion developed at the paint and aluminum (Al) metal-paint interface of an aluminum alloy is analyzed using time-of-flight secondary ion mass ...

[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst

[DPEPhosbcpCu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst

[(DPEPhos) (bcp) Cu] PF6: A العامة والمطبقة علي نطاق واسع محفز فوتوريدوكس المستندة إلى النحاس

Our group recently reported the use of [(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6 as a general copper-based photoredox catalyst which proved efficient to promote the ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

الأطياف الاهتزازية من N719-Chromophore/Titania واجهة من المحاكاة التجريبية المحتملة الجزيئية الديناميكية، سولفاتيد بواسطة سائل أيوني درجة حرارة الغرفة

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active ...

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks MOFs

تطوير المواد الحفازه غير المتجانسة الاختيارية التي تستخدم الأطر المعدنية العضوية (MOFs)

Substrate size discrimination by the pore size and homogeneity of the chiral environment at the reaction sites are important issues in the validation of ...