催化计算答疑实录｜三大致命误区全揭秘！400+学员亲测有效

在新能源革命浪潮中，催化计算已成为破解能源转化效率的核心武器。然而，面对动辄数十万行的VASP输出文件、复杂的自由能校正体系、多尺度反应路径分析，无数科研人常常手足无措。

科学指南针联合计算老司机孙成华教授，开设了催化计算培训班，这两周也开设了多节公开课，400+学员在线提出了自己的计算难题，我们精选了最具代表性的5个QA，整理成文字版分享给大家，帮助大家避开催化计算中最容易踩的坑！

（一）吉布斯自由能多少可以认为是自发的发生？

在凝聚态物理和化学中，没有绝对的界限，但有经验标准：

· ΔG < 0：严格意义上的自发

· ΔG在±2kBT范围内（室温下约±0.05 eV）：认为热涨落可以克服，可视为"准自发"

· ΔG > 10kBT：明确非自发

重要补充：判断反应可行性不能只看热力学ΔG，必须同时考虑动力学能垒。一个ΔG很负的反应，如果能垒很高（如>1.5 eV），实际上可能极慢。所以实际研究中要同时计算过渡态自由能。

（二）0基础和有一定基础的科研人，在催化计算方面需要重点提升什么能力？学习什么内容？

0基础：

1. 提升理论解释能力，从“电子结构与能带原理”出发，理解催化反应本质：包括反应自由能、过渡态、反应势垒、电极电位、光生载流子迁移等关键概念

2. 系统掌握电催化、光催化与恒电势计算的物理背景：包括费米能、外加电势、溶剂效应、界面电荷层与能带弯曲等核心物理图像

3. 建立方法论，理解不同催化需要选择不同参数和视角去加深理解和提升论文数据解释的精准性

有一定基础：

1. 恒电势计算（含过渡态、第一原理分子动力学），以及由此能获取更为丰富的物理内涵

2. 掌握光催化的多尺度电子动力学过程：光激发–载流子分离–界面反应的定量分析

3. 理解并能应用QM/MM、多体色散校正（MBD）、溶剂化模型（VASPsol） 等高阶方法

4. 具备独立构建复杂反应路径（NRR、CO₂RR、OER、Z-scheme 异质结）的能力

推荐关注孙成华老师的催化计算课程，围绕电催化、光催化、恒电势计算与半导体物理四大板块，通过复现顶刊真实案例，帮助科研人解决“只会跑程序”的瓶颈，提升“理论→操作→数据解释”科研能力。

（三）阴离子氢氧根的能量怎么算？

带电物种在周期性体系中计算是个经典难题，有几种解决方案：

1. 非周期性方法：首选！用分子团簇模型（cluster model），在真空中计算，避免周期性带来的电荷相互作用问题。

2. 周期性方法（必须用超胞时）：

    a. MP方法（Makov-Payne）：对静电相互作用做1/L的级数修正

    b. ICPC方法：偶极层校正

    c. FNV方法：在真空区引入补偿电荷

    d. 恒电势方法：也能做带电体系校正，最近在电化学里很流行

推荐关注刘锦程老师开发的真空补偿电荷方法，在J. Chem. Phys.上有发表。关键是要理解：简单增大真空层不够，必须进行显性校正。

（四）如果化学反应没有找到基元反应，能不能直接使用动力学初态到末态来判断是不是容易发生？

完全可以，这其实是更先进的方法——约束性从头算分子动力学（Constrained AIMD）：

· 原理：固定某个反应坐标（如键长），让体系在约束下跑MD，从反应物逐步走向产物

· 优势：在有限温度下采样，能找到温度依赖的反应通道，有些通道在0K下是关闭的

· 操作：多做几次不同初始条件的模拟，得到多条路径，统计出最可能路径

对比传统NEB：NEB假设0K、寻找单一过渡态；而约束AIMD考虑熵效应和温度涨落，对复杂体系（如钙钛矿八面体摆动）更准确。

（五）VASP结构优化时输出的无含自由能和自由能以及最后得到的总能分别代表什么？

这个问题很好，但"无含自由能"这个说法不太规范。解释一下：

· 总能（Total Energy）：VASP输出的是结合能，是电子部分的能量，已经扣除了POTCAR中定义的原子能量。注意这是电子能量，不包括原子核的动能。

· 所谓的"无含自由能"：应该叫"电子能量"或"0K能量"。VASP的OUTCAR里看到的"free energy"（sigma→0）这一项，实际上是电子的基态能量加上展宽（smearing）引入的熵贡献。当展宽趋近于零时，这个"自由能"就趋近于0K的基态能量。

· 真正的自由能：催化里最常用的是吉布斯自由能G。在DFT框架下计算G需要包含：

    电子能量（E）

    零点振动能（ZPE）：即使在0K，原子核也在振动，这个能量不可忽略

    温度相关的熵贡献（-TS）

    焓修正项（pV）

关键提醒：不同软件的能量基准完全不同，不要直接比较不同软件的绝对能量值。VASP输出的是结合能，而CASTEP默认输出总能，但也能找到结合能。

其中还有一些知识点在公开课中很难展现，例如恒电势下界面重构的DFT+U修正策略、Z-scheme异质结能带对齐的三大判定标准、NRR反应路径全局优化的加速技巧……这些实操性极强的计算方法论，我们将在线下实操班中通过案例拆解、上机实训等方式深度讲授。

· 为什么选择线下实操班？

线下课对所有学员来说，大家带着真实的科研问题来，利用课程期间的密集交流，实质性提升独立设计并完成科研级催化计算项目的能力，能将计算结果用于论文撰写与图表制作，具备发表高水平催化理论研究。

· 为什么选择孙成华教授？

作为拥有400+SCI高被引论文、1000+学员实操经验的催化计算专家，孙教授在模拟计算方向有25年从业经验，曾在哈佛大学、普林斯顿大学从事博士后研究。以自身科研真实经历，已开发40余门计算模拟课程，沉淀出经验分享给大家。

· 线下班主要讲什么内容？

第一部分电催化计算与分析

1.电催化热力学计算

2.电催化动力学计算

3.电化学氧化反应的计算范式

4.电化学还原反应的计算范式

5.实操课：OER 催化剂的反应路径与台阶图计算

6.实操课：NRR 催化剂的路径分析与选择性预测

第二部分电催化中的恒电势计算与分析

1.恒电势与恒电量的物理基础

2.恒电势基础方法与实现策略

3.CP-VASP 实现恒电势计算

4.理论课：案例解析与方法局限

5.实操课：恒电量vs 恒电势计算反应热力学

6.实操课：恒电势计算过渡态和分子动力学

第三部分光催化计算与分析

1.光催化基础与界面电子结构

2.光吸收与载流子性质计算

3.光解水的机理与计算策略

4.光催化CO₂还原 (CO₂RR)

5.实操课：光解水模拟操作(基于 VASP)

6.实操课：CO₂RR 模拟操作 (基于 VASP)

第四部分光催化中的半导体物理与化学

1.能带结构的高精度计算与衍生分析

2.本征光激发与光吸收谱计算

3.掺杂半导体的建模与光吸收调控

4.异质结建模与能带对齐分析

5.实操课：高精度能带与光吸收谱计算

6.实操课：异质结建模与能带对齐案例

· 报名须知

原价4499元  早鸟特惠3999元

课后180天内免费社群答疑

免费试听|免费机时|专属干货

· 增值优惠

· 组合优惠：符合以下任一情况可在早鸟特惠基础上，再享95折

        每位学员购买2门及以上计算线下课

        2人及以上学员组团报名计算线下课

· 机时体验：免费送5000核时机时，多种GPU资源可选

· 专属赠送：报名即送《模拟计算指南》一本