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Nature Catalysis：DFT+MD+機(jī)器學(xué)習(xí)，研究氧化物衍生銅電催化劑中氧的穩(wěn)定性與壽命

作者信息

第一作者：Zan Lian

通訊作者：Núria López

通訊單位：加泰羅尼亞化學(xué)研究所

成果速覽

本研究通過大規(guī)模分子動力學(xué)模擬結(jié)合精確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢能，探討了氧化物衍生銅（OD-Cu）在電化學(xué)CO2還原反應(yīng)中的氧濃度穩(wěn)定性與壽命。

研究發(fā)現(xiàn)，OD-Cu的氧濃度與pH值、電位和比表面積密切相關(guān)。在長時電化學(xué)實驗中，OD-Cu可完全還原為銅，但去除所有捕獲的氧需較長時間。該研究為理解OD-Cu催化劑的演變和活性位點的本質(zhì)提供了深刻見解。

Nature Catalysis：DFT+MD+機(jī)器學(xué)習(xí)，研究氧化物衍生銅電催化劑中氧的穩(wěn)定性與壽命

圖文導(dǎo)讀

圖1：展示了構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢能的計算模擬方法，包括數(shù)據(jù)收集的兩個階段和通過主動學(xué)習(xí)過程進(jìn)行的迭代。

圖2：揭示了在不同pH值、電位和比表面積條件下，Cu2O到Cu的還原過程中氧的分布和反應(yīng)能量。

圖3：展示了OD-Cu中氧分布的演變以及氧擴(kuò)散動力學(xué)，包括氧在Cu殼層中的擴(kuò)散路徑分析。

圖4：通過圖論識別了不同的活性位點，并展示了這些位點上氧解吸能量的分布。

亮點介紹

1. 揭示了OD-Cu催化劑在不同實驗條件下氧濃度的變化規(guī)律，表明pH、電位和比表面積是影響氧濃度的關(guān)鍵因素。

2. 通過大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，首次詳細(xì)分析了氧在OD-Cu中的擴(kuò)散動力學(xué)，為理解催化劑的結(jié)構(gòu)動態(tài)提供了新的視角。

3. 研究結(jié)果表明，盡管在實驗條件下Cu表面會重構(gòu)，但表面氧原子并不穩(wěn)定，這與常見的實驗條件有關(guān)。

4. 通過圖論方法識別了多種活性位點，為設(shè)計和優(yōu)化CO2電化學(xué)還原催化劑提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。

計算模擬

本研究中使用第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬的計算模擬，旨在研究氧化銅衍生的銅（OD-Cu）在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中的行為。

第一性原理計算：利用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）執(zhí)行密度泛函理論（DFT）模擬。采用Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) 交換關(guān)聯(lián)泛函，加上重新擬合的DFT-D2范德華力參數(shù)。這些計算主要用于生成初始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢（NNP）提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

分子動力學(xué)模擬：結(jié)合活性學(xué)習(xí)技術(shù)和高維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢（HDNNP）進(jìn)行大規(guī)模分子動力學(xué)模擬。利用n2p2軟件包構(gòu)建HDNNP，該包是基于LAMMPS模擬軟件的一個接口，用于執(zhí)行NNP驅(qū)動的分子動力學(xué)（MD）模擬。模擬包括等溫等壓（NPT）和等溫等容（NVT）集合，以研究OD-Cu的氧含量和分布，以及氧原子的擴(kuò)散行為。

機(jī)器學(xué)習(xí)：采用活性學(xué)習(xí)方法，結(jié)合初始的DFT數(shù)據(jù)和后續(xù)通過MD模擬得到的數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化和訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢。這個過程旨在提高模擬精度，使之能夠準(zhǔn)確反映實驗條件下OD-Cu的行為。

這些計算模擬方法的組合不僅提供了對OD-Cu在CO?還原反應(yīng)中行為的深入理解，也展示了機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計算在理解和設(shè)計新型催化劑中的潛力。

通過這些高級的計算方法，研究團(tuán)隊能夠揭示OD-Cu催化劑在不同條件下的穩(wěn)定性、氧分布和動態(tài)變化，為設(shè)計更高效、更穩(wěn)定的電化學(xué)催化劑提供了重要的理論指導(dǎo)。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Stability and lifetime of diffusion-trapped oxygen in oxide-derived copper CO? reduction electrocatalysts期刊：Nature Catalysis

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/04/12/56fdff25f1/

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