计算化学中的机器学习

机器学习带来的技术革命波及甚广,计算化学也从中受益.正确地将机器学习引入计算化学,有望突破现有方法在计算精度和计算效率上的瓶颈.本文针对计算化学中的机器学习方法及其应用,从势能面计算、分子动力学模拟和材料基因组工程中的分子设计三个方面进行了概述.     

第一性原理计算在锂离子电池负极材料中的应用

本文综述了第一性原理计算在锂离子电池负极材料中的应用,包括锂离子在负极材料上的吸附和相互作用、结构稳定性、锂离子的扩散、电池反应过程的模拟和实验现象的解释. 第一性原理计算在研究和设计锂离子电池负极材料,特别是其容量、电压、反应过程、扩散、倍率充放电、结够与性能对应关系等方面,已发挥了重要的作用. 随着计算机技术的发展,第一性原理计算将可更深刻地反映负极材料的电化学可逆嵌/脱锂本质.     

混合量子-经典方法计算电荷转移速率及其在实际体系中的应用(英文)

混合量子-经典方法在复杂分子体系动力学过程的模拟方面有重要应用.我们采用Ehrenfest方法、surfacehopping方法和混合量子经典Liouville方程计算了在非绝热极限下的电荷转移速率.然后将这三种方法应用于有机半导体材料电荷转移速率的计算.研究结果发现,Ehrenfest方法和surface hopping方法可能严重偏离正确的结果.偏离的原因是这两种方法没有正确处理相干项的运动,而且这种偏离在涉及到高频模式时显得更加严重.     

应用基于第一性原理的分子模拟方法预测小分子在多孔材料中的吸附

分子在多孔材料中的吸附在工业中有着重要的应用．计算化学的发展和应用使得对多孔材料中小分子的吸附研究进入了一个新阶段．从第一性原理出发,在MP2高精度量子化学计算基础上推导小分子与多孔材料相互作用的分子力场,运用巨正则系综的蒙特卡罗模拟,研究小分子在多孔材料的吸附和脱附过程．以具有代表性的沸石分子筛ZSM-5和储氢材料MOF-5为对象,应用上述方法分别研究氨气分子和氢气分子在两种材料中的吸附,进而讨论沸石的酸性和MOF-5的储氢性能,计算得到的结果和实验数据高度吻合．     

介孔材料在烯烃环氧化中的催化应用

本文综述了介孔材料在烯烃环氧化反应中的应用,包括材料的制备方法、催化性能以及活性中心的表征.通过硅钛原子的合理匹配可以达到四配位钛的高度分散,从而提高催化活性.硅烷化处理增加材料表面的疏水性,能够大幅度提高活性和选择性.通过多种谱学和分子模拟等手段可表征骨架钛及其配位情况.     

基于材料基因工程的储氢材料数据库构建及其应用

高密度储氢材料的加速研发对于我国能源经济转型、早日实现双碳目标至关重要.集成高通量计算、数据库及机器学习预测的数据驱动材料研发新范式有望缩短研发周期并降低研发成本.由于组分、结构、工艺及形貌等多重复杂性,目前储氢材料相关的数据驱动性能预测研究较少,尚缺乏一个较为系统的性质性能数据库.因此,本文中我们开发了智能化的数据挖掘引擎,通过已发表的学术论文中发掘储氢材料热力学、动力学储氢性能数据,以及现有的材料基因工程数据库数据中获取含氢材料物理化学性质,并结合高通量第一性原理计算数据,构建了储氢材料性质性能数据集.基于所构建的数据集进一步建立了储氢材料数据库,并应用晶体图形神经网络等机器学习方法对储氢材料的吸放氢质量、吸放氢温度进行预测.相关工作将数据驱动的材料研发新模式与储氢材料相结合,为发展实用高效的新型储氢材料提供有效的平台支持、数据支撑、方法指引.     

超分子模板法合成具有复杂形态的无机材料

具有复杂形态的无机材料可以通过超分子模板的形态花样复制制备出来。本文从基本概念，制备方法，合成机理，生物模拟实质和潜在应用前景等方面综述了这些新的合成策略和材料的研究进展。     

锂离子电池正极材料的第一性原理

锂离子电池的发展主要依赖于电极材料的突破,解决现有电极材料存在的问题和预测新型未知材料是提高锂离子电池性能的关键,而第一性原理计算的出现能够较好地满足这一需求.本文介绍了第一性原理计算在锂离子电池正极材料研究方面的原理和应用,对该原理在正极材料的平均嵌锂电压计算、嵌/脱锂机理、结构稳定性研究及新材料预测等方面的应用进行了详细论述,并指出了这一理论计算工具在电池材料设计过程中的重要性和局限性.     

层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展

总结了近年来理论计算方法在研究层状双金属氢氧化物(LDHs)结构与功能方面的应用现状. 结合LDHs材料的结构特点, 归纳了量子力学、分子力学、几何建模及物理静电模型相结合对LDHs材料进行结构模拟的思路, 比较了各种方法在LDHs结构模拟上的优势及存在的不足. 量子力学方法能够精确获得水滑石材料的层板构成及作用机制、简单阴离子插层水滑石主客体间的超分子作用实质以及电子性质、反应机理等方面的信息. 与量子力学相比较, 分子力学方法可以快速得到插层水滑石材料的层间阴离子排布及取向、水合膨胀特性及宏观力学性质等. 几何模型和物理静电模型能构建直观、形象的数学模型, 大大简化了计算量,因此能计算接近实际LDHs尺寸的体系, 为推测LDHs结构信息提供了可能性. 随着理论方法和计算机硬件水平的发展, 使得计算机模拟技术逐渐成为获得LDHs材料微观结构参数、电子性质和动力学性质的一种有效手段.     

高分子材料基因组——高分子研发的新方法

材料基因组旨在将计算工具、数据库和实验工具有机结合,缩短研发时间,提高材料研发效率.高分子材料因其结构独特性和复杂性阻碍了材料基因组在高分子材料领域的发展.目前,国内外学者在高通量筛选高分子化学结构策略和构建性能预测方法等方面开展了尝试,并取得了一些成果.本文总结和评述了当前利用代理量方法和机器学习预测模型实现高分子材料基因组的进展,利用可计算的量代理宏观性能的代理量法和利用机器学习模型预测材料性能的方法在一定程度上克服了高分子复杂性的影响.在此基础上,系统地介绍了数据挖掘或模型构建的方法以及运用这些模型筛选不同类型高分子的思路,着重探讨了方法构建和材料筛选背后的思想以及对各类问题的解决措施.最后,探讨了当前高分子材料基因组发展中所面临的主要挑战,并展望了高分子材料基因组的未来发展方向.     

超临界状态下炭基材料的储氢

评介了目前各种储氢方法，指出了炭基材料作为储氢材料的优势，综述了近年来纳米炭材料在储氢方面的进展，详细探讨了超临界状态下氢气在纳米孔隙中的吸附机理，并在此基础上提出了研究中的问题及进一步的研究方向。     

贮氢材料及其应用研究进展

贮氢材料是一类新型高性能材料。本文对现有贮氢材料进行了合理的分类,对贮氢材料及其应用研究进展进行了综述。     

Antimonene: From Experimental Preparation to Practical Application

The two‐dimensional material antimonene was first reported in 2015. Subsequently, its unique properties, including enhanced stability, high carrier mobility, and band‐gap tunability, were predicted theoretically. These theoretical results have motivated experimental confirmation and thus a better understanding of this new material. Recently, the preparation of antimonene and its attempted use in several applications have attracted extensive attention. This Minireview focuses on both the experimental preparation and practical applications of antimonene, including the results of recent research on novel methods of preparing antimonene and its potential applications in optoelectronic devices, electrocatalysis, energy storage, and cancer therapy. Moreover, it provides insight that could further improve the preparation of antimonene and also describes numerous opportunities for application.     

An energy storage principle using bipolar porous polymeric frameworks

Packed with energy: Amorphous covalent triazine-based frameworks were used as a cathode material, with the aim of developing an energy storage principle that can deliver a 2-3 times higher specific energy than current batteries with a high rate capability. The material undergoes a unique Faradaic reaction, as it can be present in both a p-doped and an n-doped state (see picture).     

共价有机框架材料应用进展

共价有机框架材料(COFs)由C、H、N、O等轻质元素组成,是一种通过共价键连接的晶型材料。近十年来发展迅速,受到研究人员的密切关注。COFs具有良好的稳定性、低密度、规则有序的孔道结构、结构的可预测性和可设计性等优点,被广泛应用到吸附、催化、储能、生物传感器和荧光识别等重要领域,但其存在合成困难、合成方法有限等问题。文章回顾了COFs材料的发展背景,选取吸附、催化、储能这三个方面的应用进行详细说明,分析COFs材料能被应用到这三个领域的原因,列举最新的研究成果,并阐述了COFs与特定分子结合在不同条件下应用的机理,总结各领域应用的异同,分析在应用中存在的主要问题。最后,对于COFs材料自身以及在应用中存在的问题提出针对性的建议。     

Progress of Prussian Blue and Its Analogues as Cathode Materials for Potassium Ion Batteries

Environmental pollution and the energy crisis have promoted the development of clean energy as well as new-generation energy storage systems. Potassium ion batteries (PIBs) have emerged as a possible alternative to lithium-ion batteries due to their abundant reserves, low cost, and impressive electrochemical performance. However, the search for suitable cathode materials has become particularly crucial. Recently, Prussian blue (PB) has been investigated as a potential cathode material for PIBs, which has an open three-dimensional framework to accommodate a large volume of potassium ions and adjustable composition for different applications. In this review, Prussian blue and its analogues (PBAs) and their application in PIBs were summarized detailly. We presented the composition, structure, potassium ion storage mechanism, preparation process of PBAs, and then focus on the performance optimization methods of the PBAs, including transition metal doping and conductive material adding into PBAs. Finally, the challenges as well as the outlook on the future development of PBAs were proposed for further application in this battery system.     

Polyhedral magnetite nanocrystals with multiple facets: facile synthesis, structural modelling, magnetic properties and application for high capacity lithium storage

Polyhedral magnetite nanocrystals with multiple facets were synthesised by a low temperature hydrothermal method. Atomistic simulation and calculations on surface attachment energy successfully predicted the polyhedral structure of magnetite nanocrystals with multiple facets. X-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy, and high resolution transmission microscopy confirmed the crystal structure of magnetite, which is consistent with the theoretical modelling. The magnetic property measurements show the superspin glass state of the polyhedral nanocrystals, which could originate from the nanometer size of individual single crystals. When applied as an anode material in lithium ion cells, magnetite nanocrystals demonstrated an outstanding electrochemical performance with a high lithium storage capacity, a satisfactory cyclability, and an excellent high rate capacity.     

蓄热调温石蜡相变微胶囊的制备及性能

采用界面聚合法,以甲苯2,4-二异氰酸酯和哌嗪为反应单体、30号相变石蜡为芯材,制得了一种智能纺织品用蓄热调温相变微胶囊。通过红外光谱、扫描电镜、差示扫描量热仪对微胶囊的化学组成、形貌和蓄热性能进行了表征,测试了其耐热和耐溶剂性。结果表明:所得微胶囊主要为球形,表面光滑,平均粒径为10.6μm,对w=0.40的NaOH溶液、w=0.60的H2SO4溶液、无水乙醇、丙酮稳定,能被甲苯、二甲基甲酰胺、乙醚破坏。相变潜热为118 J/g,石蜡在微胶囊中的质量分数为84%。     

Improving Reproducibility in Hydrogen Storage Material Research

Research into new reversible hydrogen storage materials has the potential to help accelerate the transition to a hydrogen economy. The discovery of an efficient and cost-effective method of safely storing hydrogen would revolutionise its use as a sustainable energy carrier. Accurately measuring storage capacities – particularly of novel nanomaterials – has however proved challenging, and progress is being hindered by ongoing problems with reproducibility. Various metal and complex hydrides are being investigated, together with nanoporous adsorbents such as carbons, metal-organic frameworks and microporous organic polymers. The hydrogen storage properties of these materials are commonly determined using either the manometric (or Sieverts) technique or gravimetric methods, but both approaches are prone to significant error, if not performed with great care. Although commercial manometric and gravimetric instruments are widely available, they must be operated with an awareness of the limits of their applicability and the error sources inherent to the measurement techniques. This article therefore describes the measurement of hydrogen sorption and covers the required experimental procedures, aspects of troubleshooting and recommended reporting guidelines, with a view of helping improve reproducibility in experimental hydrogen storage material research.     

储氢材料第一性原理计算的研究进展

综述了第一性原理计算在储氢材料研究中取得的成果和最新的进展。 第一性原理计算在储氢材料研究中的应用主要有以下4个方面： 1）研究纳米结构的储氢性能; 2） 研究储氢材料中掺杂和缺陷的作用及对储氢性能的影响; 3）研究储氢机理; 4）确定氢化物的几何结构以及预测新型储氢材料。 同时展望了第一性原理计算在储氢领域中的应用前景。