表征恒电位过程自由能的量子化学方法及应用研究
批准号:
22073041
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
刘春根
依托单位:
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘春根
中文摘要
通过恒电位条件下的自由能计算实现定量模拟反应动力学,是量子化学应用于电化学反应的核心、难点科学问题。对电化学催化应用于能源存储和转化与利用新技术上的强烈期待, 推动上述问题成为研究热点。为挑战这一理论难题,本项目在前期工作基础上进一步提出系统的解决方案:(1)结合总结归纳与机器学习,对DFT能量施加必要的电子相关能校正,改善其精度。(2)基于原子神经网络,以机器学习实现复杂电化学体系的势能面和表面功函的从头算精度快速计算;运用CPU-GPU异构计算技术加速计算;使机器学习自主化以节省人工成本。(3)实现大规模体系的长时间尺度增强采样分子动力学模拟计算,获得全反应路径的自由能势能面。(4)采用晶胞外推方法获得高精度的恒电位自由能。上述研究方案有望为恒电位自由能的量子化学计算提供标准的解决方案。通过项目的实施,还有望建立一套完整的、基于量子化学计算的高效率电化学反应理论模拟计算平台。
英文摘要
Accurately computing the free energies at constant electric-potentials is a fundamental and challenging open question, which is essential for the quantitative kinetics simulation of the electrochemical reactions. With the strong and urgent expectation for the application of electrocatalysis in energy transformation and storage, the issue is pushed forward as a hotspot in recent years. To overcome this difficult problem, we suggest in this proposal a systematical scheme of solution, which includes, (1) Based on the indepth exploration of energy difference between high-level quantum chemical methods and DFT theories, extract the rules for improving the accuracy of the DFT energy by introducing corrections either through explicit and analytical formula or machine learning. (2) To achieve the rapid evaluation of the potential energy, the energy gradients, as well as the surface work function for complex electrochemical systems, through the atomic neural network-based machine learning. To further accelerate the speed of calculation by employing the CPU-GPU heterogeneous platform. To reduce the labor work in refining the neural network by designing an Autonomous Learning Environment. (3) To realize the ultra-long term enhanced sampling molecular dynamics simulations on ultra-large scale models, for the reliable and simultaneous characterization of the whole free energy potential surfaces characterization along the main and side reaction routes. (4) To obtain potential related free energies for the critical structures in the reaction pathways through the “cell extrapolation method”. Hopefully, our research scheme could provide a standard solution to the calculation of the constant potential free energies, as well as provide a reliable, efficient, and complete toolkit for simulating the electrochemical reaction kinetics at the quantum chemical accuracies.
恒电位量子化学的发展,给电化学反应的理论研究提供了广阔的想象空间,但高昂的计算代价仍然严重制约了其推广应用。本项目将电极电势作为独立描述符引入原子神经网络,构建电化学体系机器学习力场的理论方案,部署在PyXtal_FF、MACE等机器学习平台上,实现了电化学反应体系的大时空尺度分子动力学模拟。特别地,基于Pytorch平台的MACE原子神经网络,结合CPU-GPU异构计算技术实现加速计算,表现出稳定、高效的机器学习模型训练能力,可以大大减轻对模型描述符进行人工设计优化的负担,有很好的发展潜力。恒电位机器学习模型应用于MoS2表面上的Cu原子分散的电化学调控研究,获得电势调控的Cu原子迁移、聚集,以及单团簇立体结构形成的丰富理论信息。基于Monte Carlo模拟及热力学积分计算,还解释构型熵效应对吸附方式的影响。电解质溶液,以及发生于其中的物理化学过程是电化学反应中的重要影响因素,我们基于原子神经网络模型,利用包括N2P2、MACE等软件训练并构建水基电解质溶液体系的反应性机器学习力场。理论模拟了水的自电离过程,获得定量吻合的电离平衡常数与速率常数;酸性电解质溶液中的质子溶剂化结构与振动光谱解析;MgSO4等电解质溶液中阴阳离子的输运性质、离子溶剂化等性质。相关计算数据及理论分析,为进一步开展电化学过程中的电解质离子效应奠定了基础。此外,我们与合作者一起,利用自主发展的恒电位量子化学方法对一系列实验结果进行了理论计算与机理分析。
非金属小团簇成键特征与光电功能分子设计的理论研究
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批准号:21473088
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2014
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负责人:刘春根
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依托单位:
基态近简并共轭体系的电子结构研究
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批准号:21173116
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2011
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负责人:刘春根
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依托单位:
大共轭分子的电子相关效应研究-从静态描述到动态模拟
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批准号:20873058
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项目类别:面上项目
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资助金额:31.0万元
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批准年份:2008
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负责人:刘春根
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依托单位:
共轭分子的结构与性能:半经验量子化学模型的DMRG计算研究
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批准号:20573051
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项目类别:面上项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2005
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负责人:刘春根
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依托单位:
大共轭体系(从分子到固体)的重整化群计算研究
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批准号:20273030
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项目类别:面上项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2002
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负责人:刘春根
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依托单位:
国内基金
海外基金