搜索化學反應過渡態(tài)的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種搜索化學反應過渡態(tài)的方法，特別是涉及一種利用計算機模擬計算搜索化學反應過渡態(tài)的方法。
【背景技術】
[0002]化學反應過渡態(tài)理論被廣泛地應用于闡釋化學反應的機理及結構與反應性的關系。一般認為任何絕熱的化學反應過程，均要經(jīng)過一能量高于反應物和產(chǎn)物的過渡態(tài)，并且這一過渡態(tài)處于化學鍵生成和斷裂的中間狀態(tài)，其結構極不穩(wěn)定，可以生成產(chǎn)物，也可能回到產(chǎn)物。實際反應過程中過渡態(tài)的存在時間極短，很難從實驗上得到大量有關的結構和物理性質等數(shù)據(jù)。因此，如果能夠通過計算機模擬技術搜索判斷化學反應的過渡態(tài)，對于了解反應的機理及影響化學反應速率的因素極有幫助。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種克服現(xiàn)有技術中很多化學反應的過渡態(tài)無法通過實驗獲得或者實驗工作量巨大的缺點的搜索化學反應過渡態(tài)的方法。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明搜索化學反應過渡態(tài)的方法，包括:S1，利用Materials Stud1軟件計算出待計算的參與化學反應的反應物和中間體的結構數(shù)據(jù)文件；S2，利用VASP軟件進行結構優(yōu)化計算，獲得反應能量最小化的反應物結構數(shù)據(jù)文件和能量最小化的中間體的結構數(shù)據(jù)文件；S3，分別以最小化的反應物結構數(shù)據(jù)文件和能量最小化的中間體的結構數(shù)據(jù)文件為初始端和末端，采用線性插值方法，獲得化學反應過渡態(tài)初始結構模型，并導出該過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息；S4，利用VASP軟件采用限制性結構優(yōu)化方法搜索獲得過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息；S5，利用VASP軟件通過數(shù)值Hessian矩陣對角化計算對經(jīng)過第四步處理的過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息進行頻率分析計算，獲得新的過渡態(tài)初始結構。
[0005]優(yōu)選的，所述SI包括:
[0006]S1.1，利用Materials Stud1軟件的Sketch Atom模塊畫出待計算的反應物和中間體的分子模型；
[0007]S1.2，利用 Materials Stud1 軟件的 Build 模塊中的 Build Crystal 程序建立一個晶胞框，并將S1.1中建立的反應物和中間體放入已建好的晶胞框中，組成晶胞；
[0008]S1.3利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊導出反應物和中間體分子的原子分數(shù)坐標信息以及晶胞參數(shù)，得到結構數(shù)據(jù)文件；
[0009]優(yōu)選的，所述S1.2中晶胞為周期性晶胞。
[0010]本發(fā)明搜索化學反應過渡態(tài)的方法判斷范圍廣，任何有機反應的過渡態(tài)均可判斷，無論其結構如何復雜，只要有化學反應過渡態(tài)存在，就可以計算與判斷，解決了實驗中無法完成的難題。化學反應易于在計算機上建立分子模型，只要這種化學反應存在過渡態(tài)，就可以通過計算機得到它的構象，避免了在實驗上觀測不到過渡態(tài)的問題。運算速度快，且操作簡單，幾小時的時間就可以算出結果并進行判斷，減少了繁重的實驗工作量。設備要求低，在普通的PC機上即可進行計算，不需要進行購買大量的實驗設備，節(jié)省了大量的實驗成本。計算結果準確，相對誤差小。
【具體實施方式】
[0011]氧氣在Pt(Ill)面上進行解離反應的過渡態(tài)判斷。
[0012]l)Pt晶胞的構建及優(yōu)化
[0013]利用Materials Stud1軟件的File模塊從晶體結構數(shù)據(jù)庫中導出Pt的原始晶胞結構，利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊將晶胞原子坐標信息導出，得到.cell文件，建立INCAR、POTCAR、POSCAR、KP0INTS文件，將所導出的.cell文件中的原子坐標信息復制到POSCAR文件中，利用VASP程序進行晶胞參數(shù)可變的能量及壓強張量最小化計算，得到能量及壓強張量最小化的晶胞參數(shù)信息；
[0014]2)Pt(lll)面的構建及優(yōu)化
[0015]利用Materials Stud1軟件的Build模塊對步驟I中優(yōu)化好的晶胞進行切面，切出Pt(Ill)面，利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊將晶胞原子坐標信息導出，得到.cell文件，建立INCAR、POTCAR, POSCAR, KP0INTS文件，將所導出的.cell文件中的原子坐標信息復制到POSCAR文件中，并利用VASP程序進行能量最小化計算，得到能量最小化的Pt(Ill)面結構信息；
[0016]3)氧氣吸附在Pt(Ill)面模型的構建及優(yōu)化
[0017]利用Materials Stud1軟件的File模塊從晶體結構數(shù)據(jù)庫中導出氧氣的分子結構，將一個氧氣分子復制到步驟2中優(yōu)化好的Pt(Ill)面上，形成吸附構型，并利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊將吸附模型的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息導出，得到.cell文件，建立INCAR、POTCAR, POSCAR, KP0INTS文件，將所導出的.cell文件中的原子分數(shù)坐標及晶胞信息復制到POSCAR文件中，并利用VASP進行結構優(yōu)化能量最小化計算，得到能量最小化的穩(wěn)定吸附模型結構信息；
[0018]4)氧氣在Pt(Ill)面解離成共吸附原子氧模型的構建及優(yōu)化
[0019]將兩個氧原子復制到步驟2中優(yōu)化好的Pt(Ill)面上相鄰的洞位上，形成共吸附構型，并利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊將吸附模型的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息導出，得到.cell文件，建立INCAR、P0TCAR、P0SCAR、KP0INTS文件，將所導出的.cell文件中的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息復制到POSCAR文件中，并利用VASP進行結構優(yōu)化能量最小化計算，得到能量最小化的穩(wěn)定氧分子解離后兩氧原子共吸附模型結構信息；
[0020]5)氧氣在Pt(Ill)面解離的過渡態(tài)模型的構建及過渡態(tài)結構搜索
[0021]以步驟3中優(yōu)化好的氧分子吸附模型結構原子坐標信息和步驟4中獲得的氧分子解離原子氧共吸附結構原子坐標信息為基礎，采用線性插值方法，系數(shù)為0.5，獲得過渡態(tài)結構初始結構坐標信息，利用Materials Stud1軟件的Distance模塊測量將發(fā)生斷鍵的兩氧原子之間距離，建立新文件C0NCAR，輸入當前斷鍵兩氧原子之間的距離及兩氧原子的原子序號信息進C0NCAR，利用VASP軟件采用限制性結構優(yōu)化方法搜索獲得氧氣分子在Pt(Ill)表面解離的過渡態(tài)結構信息；
[0022]6)氧氣在Pt(Ill)面解離模型的頻率分析計算
[0023]利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊將步驟4中優(yōu)化好的氧氣解離模型原子坐標結構信息導出，得到.cell文件，建立INCAR、POTCAR、POSCAR、KP0INTS文件，將所導出的.cell文件中的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息復制到POSCAR文件中，并進行頻率分析計算，計算結果如果有且僅有一個虛頻，則初步判斷該解離模型為氧氣在Pt (111)面上進行解離反應形成的過渡態(tài)，反之則不是過渡態(tài)；
[0024]7)虛頻所對應的化學鍵的運動方向的判斷分析
[0025]在步驟6中有且僅有一個虛頻的基礎上利用wxdragon軟件讀取步驟6中的輸出文件0UTCAR，查看該虛頻所對應的兩個氧原子之間的運動方向是否為氧氣的解離反應中欲斷鍵的兩個氧原子間的運動方向，如果是則確定該中間態(tài)是化學反應的過渡態(tài)，反之則不是過渡態(tài)。若非過渡態(tài)，則將過渡態(tài)結構原子分數(shù)坐標信息加上該虛頻所對應的簡正振動模式的原子分數(shù)坐標信息，獲得新的過渡態(tài)初始結構，需重復步驟(5)?(7)過程，直至過渡態(tài)結構頻率分析結構中有且僅有一個虛頻并且對應于反應坐標方向。
[0026]本發(fā)明搜索化學反應過渡態(tài)的方法判斷范圍廣，任何有機反應的過渡態(tài)均可判斷，無論其結構如何復雜，只要有化學反應過渡態(tài)存在，就可以計算與判斷，解決了實驗中無法完成的難題?；瘜W反應易于在計算機上建立分子模型，只要這種化學反應存在過渡態(tài)，就可以通過計算機得到它的構象，避免了在實驗上觀測不到過渡態(tài)的問題。運算速度快，且操作簡單，幾小時的時間就可以算出結果并進行判斷，減少了繁重的實驗工作量。設備要求低，在普通的PC機上即可進行計算，不需要進行購買大量的實驗設備，節(jié)省了大量的實驗成本。計算結果準確，相對誤差小。
[0027]以上已對本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明創(chuàng)造精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
【主權項】
1.搜索化學反應過渡態(tài)的方法，其特征在于，包括如下步驟: SI，利用Materials Stud1軟件計算出待計算的參與化學反應的反應物和中間體的結構數(shù)據(jù)文件； S2，利用VASP軟件進行結構優(yōu)化計算，獲得反應能量最小化的反應物結構數(shù)據(jù)文件和能量最小化的中間體的結構數(shù)據(jù)文件； S3，分別以最小化的反應物結構數(shù)據(jù)文件和能量最小化的中間體的結構數(shù)據(jù)文件為初始端和末端，采用線性插值方法，獲得化學反應過渡態(tài)初始結構模型，并導出該過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息； S4，利用VASP軟件采用限制性結構優(yōu)化方法搜索獲得過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息； S5，利用VASP軟件通過數(shù)值Hessian矩陣對角化計算對經(jīng)過第四步處理的過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息進行頻率分析計算，獲得新的過渡態(tài)初始結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的搜索化學反應過渡態(tài)的方法，其特征在于，所述SI包括: S1.1，利用Materials Stud1軟件的Sketch Atom模塊畫出待計算的反應物和中間體的分子模型； S1.2，利用Materials Stud1軟件的Build模塊中的Build Crystal程序建立一個晶胞框，并將S1.1中建立的反應物和中間體放入已建好的晶胞框中，組成晶胞； S1.3利用Materials Stud1軟件的CASTEP模塊導出反應物和中間體分子的原子分數(shù)坐標信息以及晶胞參數(shù)，得到結構數(shù)據(jù)文件。
3.根據(jù)權利要求2所述的搜索化學反應過渡態(tài)的方法，其特征在于，所述S1.2中晶胞為周期性晶胞。
【專利摘要】本發(fā)明搜索化學反應過渡態(tài)的方法，包括：S1，計算出待計算的參與化學反應的反應物和中間體的結構數(shù)據(jù)文件；S2，獲得反應能量最小化的反應物結構數(shù)據(jù)文件和能量最小化的中間體的結構數(shù)據(jù)文件；S3，獲得化學反應過渡態(tài)初始結構模型，并導出該過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息；S4，采用限制性結構優(yōu)化方法搜索獲得過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息；S5，通過數(shù)值Hessian矩陣對角化計算對經(jīng)過第四步處理的過渡態(tài)初始結構的原子分數(shù)坐標及晶胞參數(shù)信息進行頻率分析計算，獲得新的過渡態(tài)初始結構。本發(fā)明只要有化學反應過渡態(tài)存在，就可以計算與判斷，解決了實驗中無法完成的難題。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104765918
【申請?zhí)枴緾N201510148295
【發(fā)明人】曹宵鳴, 黃健, 胡培君
【申請人】華東理工大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月31日