课程简介

本次课程基于CASTEP、DMol3模块设计，直击催化科研热点，通过28小时高强度实操培训，用通俗的语言将HER/OER/ORR/CO2RR台阶图、火山图、d带理论、过渡态、带隙工程、能带电位匹配等催化计算核心问题讲透彻，使大家能将DFT计算用到自己的文章中。

注：此课程为MS催化专题课程，配合零基础培训食用更佳！（点击链接跳转）

课程内容

一、密度泛函理论

1. 波恩-奥本海默近似，Hatree-Fock近似，

2. 密度泛函理论，Kohn-Sham方程，交换关联势，LDA/GGA，电子自洽循环

3. 计算量决定因素

4. DFT的缺陷

二、MS在Windows及Linux系统中的合规安装与运行脚本（实操）

1. MS在Windows系统中更新的注意事项

2. Linux基本命令

3. Materials Studio在Linux上的安装

4. 单台、多台节点在有无mpi下的并行设置

5. 客户端-服务器端文件传输与作业提交

6. 网关连接设置

用于发表文章的数据，大部分是用Linux服务器计算得到。学完这部分知识，能够自主实现MS在服务器上的安装，并掌握在有无作业管理系统时，作业脚本的编写与运行方法。

三、表面与二维单层结构的构建（建模实操）

1. 切金属表面

2. 切金属氧化物表面

3. 掺杂石墨烯与二维层状结构MoS2, MXene搭建

4. 吸附中间物建模

从免费数据库中的体块结构入手，手把手带大家进行经典文献中模型的重现。本章带大家进行表面、单层结构催化剂的建模操作，全面讲解构建催化剂表面时所须注意的细节问题。

使所建模型既“合理”又“可算”，在满足高水准文章要求的同时也兼顾计算量。所设计案例的模型分为三类—金属表面，金属氧化物表面与单层材料，同时讲解掺杂方法，基本覆盖所有催化剂类型。

四、催化反应中的基本概念

1. 电催化、光(电)催化与热催化的区别

2. 催化剂在三种催化反应中的作用

3. 反应热力学与动力学

本章将带大家了解电、热、光催化的基本原理及其催化剂所起作用的不同。同时也将介绍反应路径、中间态与过渡态的物理意义，光生载流子、带边等基本概念；电化学中如何通过改变电极电位可调控反应的热力学，怎样为化学反应研究打开了一个新的维度。

五、电催化反应热力学—自由能台阶曲线（理论）

1. 电化学双电层结构

2. 从质子跳跃理解电化学反应热力学

3. Norskov计算氢电极模型CHE及其缺陷

4. 台阶图的解读，中间体的自由能之差与热力学过电位

5. 振动计算的简化

电化学电位能够强制打破反应物与生成物的热力学平衡，其机理可以简化成水分子间质子的跃迁。

Norskov提出的计算氢电极模型CHE被广泛采用，本章将为大家讲解其中所涉及的基本思想及其与真实电化学之间的差异。此外，本章将介绍能够减少计算量的吉布斯自由能矫正脚本的编写思路及使用方法。

六、HER电催化反应热力学—自由能台阶曲线（建模+计算实操）

1. 金属表面上HER反应吸附构型的搭建

2. 表面slab、中间体吸附模型的内能计算

3. 吉布斯自由能的热力学校正

4. HER台阶图绘制

5. 碱性条件下的HER台阶图

通过最简单的操作快速实现HER催化反应中H*、分子吸附与解离吸附H2O模型的总能计算与零点振动能、热力学校正的计算。

使大家了解Volmer-Tafel与Volmer-Heyrovsky过程的差异，以及酸碱条件下HER吉布斯自由能变化的差异。

七、OER/ORR电催化自由能台阶曲线-- 金属氧化物，DMol3模块

1. 金属氧化物表面上OER/ORR反应中间体吸附构型的搭建

2. 表面slab、中间体吸附模型的内能计算

3. 吉布斯自由能的热力学校正

4. OER/ORR台阶图绘制

5. 文献案例解读

前面理论部分描述了怎样求解台阶图的方法论，但实际操作并不复杂。在给出脚本的前提下，只需要将14个数输进给定的表格中即可出图。

本章以金属氧化物表面催化剂为例，为大家介绍OER/ORR反应多步台阶图中的自由能该如何计算，以及不同电压对自由能的影响。

八、OER/ORR电催化自由能台阶曲线— 单原子催化剂，CASTEP模块

1. 单原子催化剂上OER/ORR反应中间体吸附构型的搭建

2.中间体吸附模型的内能计算

3. CASTEP计算部分原子振动对自由能矫正贡献的方法

4. OER/ORR台阶图绘制

5. 文献案例解读

本章为大家介绍单原子催化剂OER/ORR反应多步台阶图中的自由能该如何计算，以及不同电压对自由能的影响。

九、CO2RR电催化反应热力学—自由能台阶曲线（建模+计算实操）

1. 二维单层材料上CO2RR反应中间体吸附构型的搭建

2. 中间体吸附模型的内能计算

3. 吉布斯自由能的热力学校正

4. CO2RR台阶图绘制

5. 文献案例解读 

本章以二维单层材料催化剂为例，为大家介绍CO2RR反应中的各个步骤、不同转移电子数对应的产物与决速步，与HER的竞争，带大家进行台阶图中中间态结构的构建与自由能计算。同时将讲解以MXene等为催化剂的甲酸还原路径建模方法。

十、火山曲线（理论）

1. 催化活性与吸附能

2. neither too strong nor too weak

3. 针对不同种类、不同合金比例、不同晶面的催化剂的ORR与HER火山曲线的解读

4. BEP关系与Micro-kinetic Model

电流或电位的火山图包含了多种催化剂表面活性的线性比例关系，提供了最佳催化剂设计标准，同时也为实验与理论计算搭起了桥梁。

本章将带大家了解火山图的意义，催化活性与吸附能之间的关系，以及怎样从施加偏压着手来计算OER/ORR的火山图。此外，也将为大家讲解不同催化剂反应热力学与动力学之间的线性关系，与微动力学火山图。

十一、分子轨道理论与d带理论（理论+实操）

1. 分子轨道理论，成键、反键轨道

2. 吸附物与表层金属结合强弱对催化性质的影响

3. 表层金属电子结构与结合强弱的联系

4. 金属d带中心的计算方法

5. 缺陷对d带中心的调控

6. 应变对d带中心的调控 

d带理论在催化性质分析中扮演着重要的角色。本章将以通俗的语言为大家介绍该理论的核心及应用价值，并带大家进行d带中心计算实操。

十二、H2O分子分解反应动力学（理论+实操）

1. 什么是过渡态？怎么搜索？

2. 表面上H2O分子分解的构型搭建

3. 反应路径创建，能垒计算，过渡态搜索

4. 过渡态优化，虚频的消除

5. 文献案例解读

反应能否发生决定于热力学，但发生的快慢决定于动力学。本章将使大家掌握化学反应中过渡态搜索算法中的基本概念，以及激活能的计算方法，补齐自由能曲线各中间态之间的“缺失的弧线”。

十三、CO2分子分解反应动力学（理论+实操）

1. 表面上CO2分子分解的构型搭建

2. 利用FlexTS搜索势能面

3. 反应路径创建，能垒计算，过渡态搜索

4. 过渡态确认、优化，虚频的消除，报错解决办法

5. 文献案例解读

本章为大家介绍CO2还原成不同产物的全部路径，并带大家进行CO2分子在表面的吸附构型及还原过程中间态的构建，以及不同吸附构型分解势垒的计算。同时引进MS全新模块FlexTS进行全势能面搜索，以确认最小能量反应路径。

十四、半导体光催化—DFT进阶（实操）

1. 带隙低估，杂化泛函及其使用方法

2. 掺杂与磁性体系电子自旋设置方法

3. DFT+U设置方法

带隙低估是普通DFT应用在半导体光催化领域时最大的问题。采用杂化泛函，可得到与实验值更符合的带隙。带有自旋极化的体系以及序磁性体系中，原子的磁矩设置不但影响体系的总能，对催化剂的性能也有很大影响。

DFT+U修正了强关联体系能量的同时，也会带来副效应--在一定程度上增加带隙值。本章将为大家讲解这些方法的原理及操作过程。

十五、半导体光催化—带隙工程（实操）

半导体光催化—带隙工程（实操）

1. 半导体光催化基本原理与未解决问题

2. 掺杂、缺陷、应变对带隙的调控

3. 光生载流子的有效分离办法

4. PDOS计算

本章为大家讲解半导体光催化领域的历史及进展，带隙工程，掺杂调节能带结构的深层机制，掺杂及缺陷体系的形成能计算方法，失主受主对间的电荷补偿机制，电子-空穴的有效分离方法。并从分波态密度上分析原因，从而拔高文章档次。

十六、半导体光催化-能带电位匹配（实操）

1. 半导体复合异质结建模

2. 表面功函数计算

3. 能带电位匹配

4. 差分电荷密度与电荷积累耗尽分析

5. 异质结内建电场电势分析

本章带大家掌握表面功函数的计算，以及通过功函数与能带结构进行能带电位匹配，探讨异质结构如何促进光生电子、空穴的复合。并对半导体材料异质结构进行建模，考察界面间电荷转移，分析电子的积累与耗尽，以及界面内建电场的方向与电势差。

十七、吸附模型搭建（建模）

吸附模型搭建（建模）

1. 单原子在表面的吸附位点

2. 小分子在表面的吸附构型

3. 复杂分子在表面吸附构象的自动搜索

本章将为大家介绍如何构建吸附模型。搜寻最稳定的分子吸附构型，需要在复杂的的势能面上找到全局最低点，计算量较大。采用一定的经验，可以帮助减小计算的个数。另外采用MS的分子力学模块可以自动搜寻复杂分子的吸附构象，只是其应用有一定的局限性。

十八、吸附与活化机理研究（建模+计算实操）

1. CO在Pt表面的吸附构型

2. PDOS分析手段

3. COHP分析手段

4.DMol3计算差分电荷密度

5. 电荷与化学键布居分析手段

6.吸附分子的福井函数与HOMO/LUMO分析

吸附与活化的关键在于分析化学键，而化学键根源于电子性质，常规电子性质分析对化学反应十分重要，本章将从电子态密度、晶体轨道哈密顿布居、差分电荷密度、电荷与键的布居等角度使大家掌握如何从电子性质上考量化学键的形成、断裂、削弱的内在原因。