EEM | 武汉理工大学赵焱教授综述:密度泛函理论应用于催化材料设计

学术   2024-10-21 19:06   河南  

针对密度泛函理论的发展及其在催化材料设计的应用武汉理工大学赵焱教授团队Energy & Environmental Materials上发表题为Density Functional Theory for Electrocatalysis的综述性论文(DOI: 10.1002/eem2.12204)第一作者为博士生廖小彬,通讯作者为王兆阳博士和赵焱教授。

引言

狄拉克(P. A. M. Dirac)在1929年曾说过 “大部分物理和所有化学问题的数学理论已经建立好了,问题在于这些理论里的数学方程太复杂,太难求解。” 他提到的数学方程就是指薛定谔方程。1933年,狄拉克和薛定谔(Erwin Schrödinger)因建立了量子力学的基本方程——薛定谔(波动)方程和狄拉克方程,获得了诺贝尔物理学奖。通过求解薛定谔方程中波函数的具体形式以及对应的能量,可以了解微观体系的物化性质。但是薛定谔方程仅对少数体系(如氢原子体系)能解析求解,对于多粒子系统,其精确求解十分困难。1964年,Walter Kohn教授创立的密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)巧妙地将求解多电子波函数的问题转化为求解体系电子云密度的问题,大大地降低了薛定谔方程求解的难度。因此,密度泛函理论成为了理论计算化学与固态物理学界应用最为广泛的“第一性原理计算”方法。

Figure 1. Jacob’s ladder of density functional approximations.
目前,科学家已开发出超过两百种密度泛函方法,根据泛函的交换-关联近似项的复杂程度,可大致将现有的密度泛函分为五个阶梯(图1)。第一阶为局域自旋密度近似,代表性泛函有Slater均匀电子气交换泛函和PW92、VWN以及非经验拟合武汉系列W20。值得注意的是,这一阶层的密度泛函因为把密度近似成均匀的电子气,所以其在计算均匀固态系统表现出色,但不能处理密度变化大的体系,例如分子体系。第二阶在前者的基础上引入一阶密度梯度,即为目前材料模拟计算应用最为广泛的广义梯度近似,代表的泛函有著名的PBE、SOGGA以及N12等。第三阶则引入了自旋动能密度项,这一类型的泛函包括明尼苏达系列的M06-L、TPSS以及SCAN。第四阶层引入了部分的Hartreee-Fock交换项,包括有经典的B3LYP、PBE0、HSE06以及M06-2X。第五阶层为双杂化泛函,包括MC3MPW、B2P-LYP以及ωB97M(2)等。
主要工作

Figure 2. The application of density functional theory in electrocatalysis.
武汉理工大学赵焱团队在这篇综述中,回顾了密度泛函方法的发展历程,总结了不同泛函方法的特点、应用体系及相应的计算精度,特别是在先进电催化材料设计中的应用。首先,作者根据交换-关联项的复杂程度对泛函进行了分类,并详细介绍了不同密度泛函方法的理论基础。然后系统地总结了密度泛函对催化反应相关计算的精度,包括17种原子能、主族分子体系、过渡金属(体模量、晶胞参数、内聚能)、过渡金属化合物(晶胞参数、能带结构)、一氧化碳吸附(吸附位点、吸附能)。此外,作者还总结了密度泛函在催化反应中的应用(包括HER、ORR、OER、NRR、CO2RR),介绍了性能描述符(形成能、吸附能、线性关系、d带理论、eg轨道占据)与理论分析工具(巴德电荷、差分电荷密度、电子局域函数、态密度、晶体轨道重叠布局、过渡态)。最后,作者概述了密度泛函方法描述复杂的催化反应环境面临的挑战,并提出开发多尺度模拟方法以及DFT辅助的机器学习方法,将可以更准确地近似催化材料在真实环境下的催化性能。
图文赏析

Figure 3. The average RMSDs (Root Mean Square Deviations, in kcal mol-1) of the best functionals for the MGCDB84 databases.


Figure 4. MUEs for the transition metals lattice constants database (TMLC4).


Figure 5. Development of new descriptors and advanced modeling methods.

文章链接

Xiaobin Liao, Ruihu Lu, Lixue Xia, Qian Liu, Huan Wang, Kristin Zhao, Zhaoyang Wang*, Yan Zhao*. Density Functional Theory for Electrocatalysis. 

Energy Environ. Mater. 2022, 5157-185

DOI: 10.1002/eem2.12204

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12204

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