CPMD/GULP QM/MM interface for modeling periodic solids: Implementation and its application in the study of Y‐zeolite supported Rhn clusters

We report here the development of hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) interface between the plane‐wave density functional theory based CPMD code and the empirical force‐field based GULP code for modeling periodic solids and surfaces. The hybrid QM/MM interface is based on the electrostatic coupling between QM and MM regions. The interface is designed for carrying out full relaxation of all the QM and MM atoms during geometry optimizations and molecular dynamics simulations, including the boundary atoms. Both Born–Oppenheimer and Car–Parrinello molecular dynamics schemes are enabled for the QM part during the QM/MM calculations. This interface has the advantage of parallelization of both the programs such that the QM and MM force evaluations can be carried out in parallel to model large systems. The interface program is first validated for total energy conservation and parallel scaling performance is benchmarked. Oxygen vacancy in α‐cristobalite is then studied in detail and the results are compared with a fully QM calculation and experimental data. Subsequently, we use our implementation to investigate the structure of rhodium cluster (Rh_n; n = 2 to 6) formed from Rh(C₂H₄)₂ complex adsorbed within a cavity of Y‐zeolite in a reducible atmosphere of H₂ gas. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

二价离子掺杂钨酸铅晶体的计算机模拟

应用GULP软件计算了PbWO4(PWO)晶体中分别掺杂Zn、Ca二价离子的相关缺陷生成能,并对计算结果进行了讨论.结果表明,Zn离子进入PWO晶体中只能占据铅空位附近的填隙位置,而Ca离子进入PWO晶体中可以占据铅空位,也可以占据铅空位附近的填隙位置,这两种情况出现几率近似;对于相同的掺杂浓度,在掺Zn的PWO晶体中的孤立铅空位数量比掺Ca的PWO晶体中少,从而掺Zn可以更好地抑制与铅空位有关的短波段吸收,增加晶体的光产额.     

掺K钨酸铅晶体的计算机模拟

应用计算机模拟方法计算分析了掺杂K离子的PbWO4晶体，在不同杂质离子浓度下，K离子的位置及伴随的各种可能存在的缺陷的生成能，明确了晶体掺杂后的缺陷化学及相应的缺陷反应，揭示了低浓度掺K^ ：PbWO4的350nm吸收带减弱的原因．计算结果表明，高浓度掺K离子将消除420nm吸收带，改善PbWO4晶体的抗辐照损伤性能．     

磷酸钇晶体物理性质及本征缺陷的研究

运用GULP软件并采用已有的势参数计算了理想YPO_4晶体的物理性质和本征缺陷,得到的晶体结构参数与实验结果基本吻合.根据计算得到的力学性质表明,YPO_4晶体在(100)方向的抗应变能力最强.对YPO_4晶体的热学性质的计算结果表明,不能忽略在高温条件下振动熵对YPO_4晶体本征点缺陷形成能的影响.由本征点缺陷形成能的计算结果得知氧空位和氧的弗伦克尔缺陷在晶体中相对容易形成.     

单壁碳纳米管储氢过程的GULP模拟

利用GULP软件的蒙特卡罗模块对常温(T=300 K)下单壁碳纳米管(SWNT)管内物理吸附储氢进行了模拟.研究和讨论了5种半径的扶手椅管在T=300 K时的吸附等温线,给出了同一管径在不同压强下氢气分子在碳纳米管中分布变化的对比图,并对T=300 K,P=10 MPa时不同管径的碳纳米管储氢能力进行了对比.结果显示,常温下压强不大于10 MPa时单壁碳纳米管吸附氢气的质量储氢容量不超过1.8;,体积吸附量不超过22 kg·m-3,表明纯单壁碳纳米管具有一定的吸附氢气的能力,但其存储能力与美国能源部提出的研究目标尚有一定差距,还需通过改变碳纳米管的结构、特性等方法来改善其储氢特性.     

掺Nb5+钨酸铅晶体的计算机模拟

应用GULP计算软件模拟计算了掺Nb5 的PbWO4(PWO)晶体中,Nb5 可能存在的位置以及对应的各种缺陷的生成能.通过比较生成能的大小确定了Nb5 在PWO晶体中最可能的存在方式,并对其电荷补偿机制进行了分析.计算结果表明,在掺Nb5 ∶PWO中,Nb5 首先占据邻近缺氧的W6 位,但不可能由F心或F 心来作为补偿,其电荷补偿形式应为[NbO3 VO] —[NbO4]-,改变了在晶体中与350 nm吸收带有关的氧空位V2O 的电荷补偿机制,从而抑制了350nm吸收.     

单壁碳纳米管低温及常温下储氢行为的模拟计算研究

采用巨正则系综蒙特卡罗方法, 通过含有此方法模块的GULP软件, 系统地研究了扶手椅式单壁碳纳米管在低温和常温下的储氢性能, 给出了5种半径的扶手椅管在液氮温度(77 K)和常温(280 K)下的吸附等温线, 同一管径在不同温度不同压强下氢分子在碳纳米管中的分布构型图等. 对77 K和280 K下不同压强不同管径的碳纳米管储氢能力做了较为全面的对比分析, 最后根据模拟计算的结果, 对碳纳米管储氢能力的强化提出了一些建设性意见.     

钼酸铅晶体势参数的拟合及本征缺陷的模拟计算

在已有PbWO4晶体势参数的基础上,根据势参数的可转移性,用GULP软件拟合出Pb-MoO4(PMO)晶体的势参数.利用这些参数计算了PMO的晶格生成能、本征缺陷生成能和缺陷簇的结合能.计算结果表明,V2O -VP2b-空位对和F心是PMO晶体中的本征缺陷,并以[V2O -VP2b-]空位对和[V2O 2e]的形式实现电荷补偿.