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Science中的计算模拟
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详细介绍
得益于理论计算化学的快速发展，计算模拟在材料化学研究中的运用日益广泛而深入。科研领域已经逐步形成了“精准制备-理论模拟-先进表征”的研究模式，而正是这种实验和计算模拟的联合佐证，更加增添了论文的可靠性和严谨性，往往能够得到更广泛的认可。
调研发现，近3年发表在Science杂志的材料相关文章中，有接近40篇文章涉及计算模拟的案例，由于篇幅所限，我们仅给出前15篇的详细介绍，其余文章做简要介绍，您可以点击标题标题跳转到文章详情。
值得注意的是，在大部分的Science工作中，计算模拟是以一种重要的证明或表征方式出现，人们将它与高端测试表征结合来验证实验结果或解释实验机理，仅在少量工作中作为一种预测手段出现。
在这37篇文章中，研究人员使用了包括Quantum ESPRESSO、VASP、Materials Studios、GPAW、Gaussian 09、FHI-aims-、CP2K等量化计算软件，其中使用最多的是VASP，多达11篇文章，而华人作者更是对其情有独钟。
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1. Science：“看见”单原子催化石墨烯生长、DFT模拟反应路径
意大利里雅斯特大学的LaerteL. Patera课题组发展了一种实时成像技术，可以“看见”Ni表面的单原子催化石墨烯生长过程。
研究人员以Ni(111)作为生长基底，通过高分辨扫描隧道显微镜实时原位成像技术，从原子尺度和毫秒时间分辨率上发现，石墨烯边界kink位点上，单个Ni原子参与到催化生长过程中。
然后通过DFT计算和反应路径的分子模拟结合模拟整个催化性能，在计算层面上解释了石墨烯生长机制与路径，并推断单个的Ni吸附原子可以有效降低反应能垒，成为石墨烯不断生长的驱动力。实验现象和理论计算结果的相结合，进一步佐证了其对催化性能的预测。
Patera L L, BianchiniF, Africh C, et al. Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth onnickel[J]. Science, 2018, 359(6381): 1243-1246.
2. 黄小青Science： Pt基核壳结构ORR电催化剂，理论指导应力调控Pt-O键强度！
苏州大学黄小青教授、北京大学郭少军教授以及布鲁克哈文国家实验室Dong Su等团队合作报道了一种PtPb@Pt核壳结构纳米片电催化剂，具有稳定而高效的ORR性能。
这与以往的经验似乎有些矛盾。因为Pb原子比Pt原子大，理论上应该是会产生拉伸应力，增强Pt-O键强度，从而减弱ORR性能。那么，为什么这种核壳结构催化剂具有如此优异的性能呢？
研究团队通过TEM观察和DFT计算的结合，发现核壳催化剂内核Pt-CPb纳米片在一些方向上表现出拉伸应力，而在另外一些方向上表现出压缩应力。因此，一些表面位点处于适当的压缩状态，并对ORR起主要作用。
Bu L, Zhang N, Guo S,et al. Biaxially strained PtPb/Pt core/shell nanoplate boosts oxygen reductioncatalysis[J]. Science, 2016, 354(6318): 1410-1414.
3. 崔屹Science：理论+实验，深入解释LiCoO2充放电调控Pt催化剂应力增强ORR机理！
斯坦福大学崔屹课题组开发了一种利用电池电极材料直接、连续控制Pt纳米催化剂的晶格应力，并调控其ORR催化活性的普适性策略。
0.1M KOH，O2饱和条件下，压缩应力使Pt纳米催化剂的ORR活性增加90%，拉伸应力使Pt纳米催化剂的ORR活性降低40%，通过密度泛函理论（DFT）计算单轴应变对Pt 的ORR活性，发现理论计算结果与实验结果相匹配，从而更好的解释了反应机理。
Wang H, Xu S, Tsai C,et al. Direct and continuous strain control of catalysts with tunable batteryelectrode materials[J]. Science, 2016, 354(6315): 1031-1036.
4. 郑南峰Science：DFT分析活性位点和催化路径，原子级分散Pd1/TiO2催化剂的光化学合成！
厦门大学郑南峰教授和傅钢副教授及其合作团队在Science报道了一种室温制备高含量的、高稳定性的原子级分散Pd1/TiO2催化剂的光化学方法。
利用光催化沉积在乙二醇保护的TiO2纳米片上成功实现了单原子Pd的稳定分散，Pd负载量高达1.5%。通过DFT计算深入研究了Pd1/TiO2与众不同的催化活性位点和催化路径。
Liu P, Zhao Y, Qin R,et al. Photochemical route for synthesizing atomically dispersed palladiumcatalysts[J]. Science, 2016, 352(6287): 797-800.
5. 包信和Science：超高选择性转化合成气为低碳烯烃，VASP软件包探索催化机理！
中科院大连化物所包信和院士和潘秀莲研究员领导的团队颠覆了90多年来煤化工一直沿袭的费托（简称为F-T）路线， 设计了一种OX-ZEO策略(Oxide-Zeolite)，其核心在于一种双功能的复合催化剂ZnCrOx/MSAPO：尖晶石结构的ZnCrOx和介孔SAPO沸石。
该催化剂具有两种活性位点，通过将CO活化和C-C键形成这两个过程分开，实现了令人惊奇的高达80％的低碳烯烃选择性。另外该催化剂稳定性良好，110小时内没有发现明显失活！
研究团队使用VASP软件包进行DFT计算，发现表面尖晶石ZnCr2O4（111）面相对H2更易被CO还原，导致部分被还原晶面含有不同浓度的氧空位。另外计算了不同氧空位浓度下尖晶石ZnCr2O4（111）面对CO和H原子的吸附能。图B中为在表面O空位浓度为100%时，第一层原子层上经过优化的CO和H2构型。
Jiao F, Li J, Pan X,et al. Selective conversion of syngas to light olefins[J]. Science, 2016,351(6277): 1065-1068.
6. 麻省理工Science：DFT分析抗CO中毒能力，基于单层Pt的核壳结构电催化剂！
麻省理工学院（MIT）Yuriy Román等人贵金属盐和过渡金属氧化物包裹在SiO2模板之内，然后进行碳化处理，最后除掉SiO2模板，得到了一种在过渡金属碳化物纳米颗粒表面进行单层Pt或者PtRu自组装的核壳结构电催化剂
因为活性的Pt都位于碳化物纳米粒子的表面，贵金属的利用率就能大大提高，而且具有超强的抗烧结和抗CO毒化性能，在电催化氧化甲醇10000次循环试验中，该催化剂比商业催化剂比表面活性提高了一个数量级。
使用VASP软件包进行DFT计算表明，受到碳化物载体的影响，CO在Pt上的吸附变弱了很多，因此可以极大的提高抗CO中毒能力。
Hunt S T, Milina M,Alba-Rubio A C, et al. Self-assembly of noble metal monolayers on transitionmetal carbide nanoparticle catalysts[J]. Science, 2016, 352(6288): 974-978.
7. Science：多种计算手段齐发力，中山大学张杰鹏控制客体构象高效纯化丁二烯！
中山大学张杰鹏教授团队通过对客体分子的柔性控制策略，实现了在室温和大气压力下对1,3-丁二烯的高选择性分离纯化，纯度达到99.5%以上！
作者通过巨正则蒙特卡罗模拟（grand canonical Monte Carlo，GCMC）模拟计算出四种亲水性的MOF吸附C4烃类分子的相关参数。还对SCXRD表征的结构进行周期性密度泛函理论（PDFT）计算与分子动力学（MM）模拟来说明在Zn-BTM材料中C4烃类混合物的结构-能量关系。
Liao P Q, Huang N Y,Zhang W X, et al. Controlling guest conformation for efficient purification ofbutadiene[J]. Science, 2017, 356(6343): 1193-1196.
8. 孙玉刚Science：在原子尺度看见Kirkendall效应，实验与模拟的完美结合！
美国天普大学孙玉刚教授、阿贡国家实验室Xiaobing Zuo和.Sankaranarayanan团队利用小角X射线散射和分子动力学模拟技术，在亚纳米空间分辨率实现了，原位观察溶液中铁纳米颗粒氧化形成空心结构过程中的三维组成和形貌的变化。
通过分子动力学模拟，并且对比实验和理论模拟得到的氧气吸收曲线、粒子最大横向长度、氧气吸收速率和Fe/FexOy界面面积，研究团队发现实验数据和理论模拟非常吻合。在分子动力学模拟反应的最后，相互连接的空缺最终形成了空心的纳米粒子，这与实验事实相吻合。
Sun Y, Zuo X, Sankaranarayanan S K R S, et al. Quantitative 3D evolutionof colloidal nanoparticle oxidation in solution[J]. Science, 2017, 356(6335):303-307.
9. Science：Pt合金ORR活性可由镧系元素调控及DFT深入理论验证
Escudero-Escribano等人系统研究了一系列共8种Pt-镧系/碱土金属合金电极：Pt5M。其中M包括镧、铈、钐、钆、铽、镝、铥、钙。
研究表明，酸浸导致在催化剂表面产生的单层Pt是这类催化剂的活性主要来源。催化剂中的压缩应力使ORR活性爆发式增强，比Pt的活性增强了3-6倍。这些材料都属于目前报道中活性最高的几种聚晶Pt基合金电催化剂之列。
使用GPAW软件包进行密度泛函理论（DFT）模拟，计算了不同Pt覆盖层的稳定性，随着压缩应变的增加稳定性降低。然后计算了Pt（111）面在应变变化过程中OH的吸附能，进而验证了应变对ORR催化活性的影响。
Escudero-Escribano M, Malacrida P, Hansen M H, et al. Tuning theactivity of Pt alloy electrocatalysts by means of the lanthanidecontraction[J]. Science, 2016, 352(6281): 73-76.
10. Science：理论与实验联手释疑，ZnO如何增强Cu催化合成甲醇？
ZnO本身催化合成气制甲醇的活性几乎可以忽略不计，Cu也可以独自起作用，但这二者合在一起，却能实现催化性能的大幅提升。这个有意思的现象吸引了化学家的注意，也有一些假说试图解释这一现象，但缺乏对现象背后机理的详细描述。
Haldor Topsøe公司的Jens Sehested等人研究了ZnO纳米颗粒作为促进剂，提升Cu纳米颗粒催化合成气体合成甲醇的催化特性的内部机理。
通过组合表面面积滴定，电子显微镜，活性测量，密度泛函理论计算和模拟，作者证明了促进作用和Zn原子在Cu表面的迁移有关。
Kuld S, Thorhauge M, Falsig H, et al. Quantifying the promotion of Cucatalysts by ZnO for methanol synthesis[J]. Science, 2016, 352(6288): 969-974.
11. Science综述：电催化四大反应（HER/HOR/ORR/OER）中的材料设计！
F. Jaramillo课题组综述了近年来电催化四大反应（HER, HOR,ORR, OER）电催化剂的重要发展，从理论计算和实验两方面讨论了如何设计更好的电催化剂。
Seh Z W, Kibsgaard J, Dickens C F, et al. Combining theory andexperiment in electrocatalysis: Insights into materials design[J]. Science,2017, 355(6321): eaad4998.
12 理论计算与化学合成，锦上添花还是雪中送炭？——从一篇Science合成工作说开去
韩国科学技术院Sukbok Chang和Mu-HyunBaik等研究者使用Gaussian 09软件包在理论计算指导下精心设计的Ir催化剂实现了氮宾前体分子内C(sp3)/C(sp2)-H键的酰胺化反应，高效合成了氮上无保护基修饰的γ-内酰胺化合物。
该工作通过化学计量实验结合计算化学的方法对1,4,2-二噁唑-5-酮和金属Ir催化剂的反应进行研究，明确了催化途径中影响分子内C-H键酰胺化反应的因素和基本规律，提出了设计高效催化剂的重要条件和原则，解决了通过C-H键酰胺化反应合成γ-内酰胺的难题。
这类计算化学导向的化学合成可大大减少传统实验模式中存在的原料浪费和大量时间耗费等问题，不仅有助于人们在分子层面对反应机理进行深入的认识，更有助于新反应、新催化剂的合理设计。毫无疑问，合成化学已不再是纯粹的实验科学。
Hong S Y, Park Y, Hwang Y, et al. Selective formation of γ-lactams viaC–H amidation enabled by tailored iridium catalysts[J]. Science, 2018, 359(6379):1016-1021.
瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZurich）Sushkevich等人报道了一种逐级路径，利用含铜位点的沸石为催化剂，基于水的部分氧化，使甲烷以97%的高选择性无氧氧化直接制甲醇！ 在673K的氦气中活化之后，催化剂持续暴露于7 bar甲烷气体中和473K的水中，在此条件下，甲醇产量为0.204mol/mol Cu inzeolite。
作者通过原位X射线吸收光谱（XAS）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）对该反应进行了机理研究，观察到在反应过程中同时存在铜氧化态的变化。
基于上述现象以及DFT理论计算，作者推测反应过程中可能包括Cu-O-Cu对甲烷的氧化反应，二价铜还原为一价铜，随后一价铜被水氧化为二价铜，与此同时产生氢气。
Sushkevich V L, Palagin D, Ranocchiari M, et al. Selective anaerobicoxidation of methane enables direct synthesis of methanol[J]. Science, 2017,356(6337): 523-527.
14. Science：分子动力学结合EXAFS表征，探究Pt纳米线ORR超高质量活性机理！
段镶锋教授、黄昱教授和WilliamA. Goddard III教授课题组合作报道了一种带有锯齿结构的Pt纳米线，在ORR反应中实现了超高质量活性！
反应分子动力学模拟和EXAFS表征分析表明，高应力的、富菱形结构的表面是这种锯齿结构Pt纳米线ORR质量活性提高的重要原因。
1）常规(100)和(111)晶面的原子配位数为8-9，而锯齿结构Pt纳米线表面原子配位数大部分为6-8。
2）表面原子的Cauchy原子应力较常规(100)和(111)晶面高数倍。
3）表面丰富的菱面结构：76%菱面体/原子。
Li M, Zhao Z, Cheng T, et al. Ultrafine jagged platinum nanowires enableultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction[J]. Science, 2016,354(6318): 1414-1419.
15. DFT计算模拟+高通量实验验证，找到在环己烷溶剂中进行甲烷硼化的方法
美韩化学家DanielJ. Mindiola、Milton R. Smith III、Mu-Hyun Baik等人领导的团队则采用计算和实验相结合的办法，先根据已有信息建立金属催化剂和支撑配体的相关反应模型，通过计算方法发现有前途的反应，随后再通过高压高通量筛选实验来验证。
Smith K T, Berritt S,González-Moreiras M, et al. Catalytic borylation of methane[J]. Science, 2016,351(6280): 1424-1427.
16. Science：电场固定MOF晶格，增强气体分离选择性！
Knebel A, Geppert B,Volgmann K, et al. Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks withelectric fields[J]. Science, 2017, 358(6361): 347-351.
17. Science：甲烷产氢新利器——“单原子”液态催化剂？
Upham D C, Agarwal V,Khechfe A, et al. Catalytic molten metals for the direct conversion of methaneto hydrogen and separable carbon[J]. Science, 2017, 358(6365): 917-921.
Moreno C, Vilas-VarelaM, Kretz B, et al. Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene[J].Science, 2018, 360(6385): 199-203.
19. Science：纯纯的爱，纯SiO2分子筛100%分离乙烯！
Bereciartua P J,Cantín á, Corma A, et al. Control of zeolite framework flexibility and poretopology for separation of ethane and ethylene[J]. Science, 2017, 358(6366):1068-1071.
20. Science：平面钙钛矿太阳能电池中的界面陷阱钝化！
Tan H, Jain A, VoznyyO, et al. Efficient and stable solution-processed planar perovskite solar cellsvia contact passivation[J]. Science, 2017, 355(6326): 722-726.
21. Science：对乙炔有高度选择性亲和力，实现高效气体分离！
Cui X, Chen K, Xing H,et al. Pore chemistry and size control in hybrid porous materials for acetylenecapture from ethylene[J]. Science, 2016, 353(6295): 141-144.
González-Herrero H,Gómez-Rodríguez J M, Mallet P, et al. Atomic-scale control of graphenemagnetism by using hydrogen atoms[J]. Science, 2016, 352(6284): 437-441.
Grant J T, Carrero CA, Goeltl F, et al. Selective oxidative dehydrogenation of propane to propeneusing boron nitride catalysts[J]. Science, 2016, 354(6319): 1570-1573.
24. Science：70%！催化大牛Sargent在强碱性电催化还原CO2制乙烯！
Dinh C T, Burdyny T,Kibria M G, et al. CO2 electroreduction to ethylene via hydroxide-mediatedcopper catalysis at an abrupt interface[J]. Science, 2018, 360(6390): 783-787.
Zhang B, Zheng X,Voznyy O, et al. Homogeneously dispersed multimetal oxygen-evolvingcatalysts[J]. Science, 2016, 352(6283): 333-337.
Mannix A J, Zhou X F,Kiraly B, et al. Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boronpolymorphs[J]. Science, 2015, 350(6267): 1513-1516.
27. Science：金纳米棒怎么做都不均匀？激光照一照就行！
González-Rubio G,Díaz-Núñez P, Rivera A, et al. Femtosecond laser reshaping yields gold nanorodswith ultranarrow surface plasmon resonances[J]. Science, 2017, 358(6363):640-644.
McCalla E, Abakumov AM, Saubanère M, et al. Visualization of OO peroxo-like dimers in high-capacitylayered oxides for Li-ion batteries[J]. Science, 2015, 350(6267): 1516-1521.
Feng G, Cheng P, YanW, et al. Accelerated crystallization of zeolites via hydroxyl freeradicals[J]. Science, 2016, 351(6278): 1188-1191.
30. Science：兰州大学王为、北大孙俊良和Yaghi共谱COF新篇章！
Ma T, Kapustin E A,Yin S X, et al. Single-crystal x-ray diffraction structures of covalent organicframeworks[J]. Science, 2018, 361(6397): 48-52.
Cadiau A, BelmabkhoutY, Adil K, et al. Hydrolytically stable fluorinated metal-organic frameworksfor energy-efficient dehydration[J]. Science, 2017, 356(6339): 731-735. MLA
Seitz L C, Dickens CF, Nishio K, et al. A highly active and stable IrOx/SrIrO3 catalyst for theoxygen evolution reaction[J]. Science, 2016, 353(6303): 1011-1014.
Palatinus L, Brázda P,Boullay P, et al. Hydrogen positions in single nanocrystals revealed byelectron diffraction[J]. Science, 2017, 355(6321): 166-169.
34. Science：翻手还原CO2，覆手产氢，人工光合作用又有新突破！
Asadi M, Kim K, Liu C, et al. Nanostructured transition metaldichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid[J]. Science,2016, 353(6298): 467-470.
35. Science：光稳定的21.2%高效钙钛矿太阳能电池！
Shin S S, Yeom E J, Yang W S, et al. Colloidally prepared La-dopedBaSnO3 electrodes for efficient, photostable perovskite solar cells[J].Science, 2017, 356(6334): 167-171.
Kang J S, Li M, Wu H,et al. Experimental observation of high thermal conductivity in boronarsenide[J]. Science, 2018, 361(6402): 575-578.
37.香港城大Science重磅：当钻石纳米化，岂止够硬，还够软！90 GPa，9%变形！
Banerjee A, BernoulliD, Zhang H, et al. Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond[J].Science, 2018, 360(6386): 300-302.
化学已经不再是一门纯粹的实验科学，计算模拟已经逐渐成为强有力的辅助手段。
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