【摘要】 本文基于孙成华教授催化计算直播公开课，精选6个代表性技术难题与专业解答，深度解析恒电势结构优化、反应微环境影响、电子结构判断等关键误区，旨在帮助科研人突破催化计算隐形门槛，提升顶刊级研究能力。

上周科学指南针催化计算直播公开课的互动环节人气爆棚，“恒电势下必须优化结构？直接单点能行不行？”“反应微环境会影响电势数据？这都能算错？”等计算问题，不仅揭开了催化计算中暗藏的“魔鬼细节”，更暴露出90%科研人的致命误区。（点击查看详情）

这些看似细枝末节的计算细节，实则是顶刊级研究的隐形门槛！孙老师精选了最具代表性的6个QA，整理成文字版分享给大家，专治催化计算“疑难杂症”。

 

（一）要不要在恒电势下优化结构？

非常必要！恒电势下结构会发生显著变化：

  • 溶剂重排：外电场会改变极性溶剂分子在电极表面的排列、致密度和朝向

  • 活性位点变化：单原子催化剂与溶剂距离可能变化0.1-0.2 Å，显著影响吸附能

  • 界面结构：双电层结构在电场下会重构

不推荐：只做单点能计算，忽略结构响应。这相当于假设结构不随电场变化，严重违背物理实际。

（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；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

3. 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。（点击查看详情）

 

（三）学员：反应微环境和体相离子强度对接电环境的影响怎么理解？

两个层次理解：

物理图像层面：

  • 介电环境改变 → 空间均匀性变化 → 双电层结构改变

  • 离子强度影响电荷屏蔽长度 → 电场穿透深度变化

  • 建模层面：

  • 隐性溶剂可能不够：必须引入显性溶剂层

  • 电解质离子：要放进溶剂中，至少在第一溶剂化壳层

  • 恒电位：必须考虑

  • 第一性原理MD：如果离子动态效应重要，需跑AIMMD

一句话总结：当介电环境显著影响界面双电层时，强烈建议恒电势+显性溶剂计算。

 

（四）学员：改变体系电荷优化单点能得到电势数据，是不是标准流程？

不是完整流程，这只是第一步。完整流程应该是：

1.  改变体系电荷→ 优化结构 → 得到能量

2.  数据处理：拟合能量-电荷曲线，得到电容

3.  矩阵运算：在不同电势下重复，构建自由能矩阵

4.  电荷积分：统计体系电荷随电势的变化

5.  自由能校正：得到恒电势下的自由能

只做单点能得不出可发表的电化学数据，必须完成电荷和能量的双统计。

 

（五）学员：恒电势下能否执行metadynamics？

理论上可以，实践中挑战很大：

  • 问题：恒电势下电子数不守恒，会在MD中剧烈震荡，导致metadynamics的偏置势难以收敛

  • 现状：目前文献报道很少，属于前沿探索

  • 建议：必须先在小体系上测试收敛性，不同体系差异巨大

替代方案：先用恒电荷+metadynamics探索反应路径，再用恒电势做单点能校正。

 

（六）学员：电催化剂能否从电子结构上判断？电子结构必须在恒电势下得到吗？

可以判断，但要看性质：

  • 绝对判断：d带中心、pDOS、电荷转移等本征性质，不需要恒电势

  • 相对判断：吸附能、反应能等随电势变化的量，必须恒电势

  • 判断标准：计算某个指标在不同电势下的敏感系数：

  • 系数小（<0.1 eV/V）：可不考虑恒电势

  • 系数大（>0.2 eV/V）：必须恒电势

时间成本：恒电势计算比恒电荷慢3-5倍，所以没必要对所有性质都用恒电势。

· 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

 

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        每位学员购买2门及以上计算线下课

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· 专属赠送：报名即送《模拟计算指南》一本