本刊推荐 | 厦门大学程俊课题组：从头算分子动力学电化学界面能带排列

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金属/氧化物的界面能带排列对于理解电化学界面有至关重要的作用。本教程以Cu和SnO2作为例子，介绍了如何基于从头算分子动力学模拟得到金属/氧化物-水界面的能带排列。理论计算得到Cu(100)-水界面的零电荷电位为-0.726V(SHE)，SnO2(110)-水界面的价带顶和导带底分别为1.76 和0.68V(SHE)。 由于密度泛函的离域误差，金属体系的结果通常会比半导体氧化物更准。

背景介绍

电化学反应通常发生在带电的固体-液体界面。常见的界面有金属-水电解液界面和氧化物-水电解液界面。金属-水电解液界面的一个基本性质是零电荷电位(UPZC)。当金属电极处于该电位时，金属-水界面不带净电荷。当电位偏离UPZC时，界面开始带电，形成双电层。因此UPZC是一个重要的参考电位。对于氧化物，电位和电解液pH均会影响界面的电荷量，因此有两个基本性质影响界面带电量。当pH处在零电荷点(Point of Zero Charge, pHPZC)，并且电势处在平带电位(Flat-band Potential, FBP)时，氧化物界面不带电。此时，氧化物界面的能带排列是导带底(Conduction Band Minimum, CBM)和价带顶(Valence Band Maximum, VBM)相对于标准氢电极的位置。VBM和CBM经由实验可测的FBP转化而来。了解pHPZC和FBP可以理解界面的光（电）催化反应活性。所谓的能带排列，是求得能级相对于标准氢电极（参考电极）的位置。例如，金属为费米能级，而半导体氧化物则为导带底(CBM)和价带顶(VBM)。计算这些基本性质有助于理解电化学界面上的各种催化反应。

研究出发点

本文为教程文章，通过第一性原理分子动力学直接通过电极-电解液界面原子模型计算出界面的能带排列。

图文解析

利用原子模型计算能带排列需要经过层数测试，分子动力学平衡，以及公式转换(见期刊原文)的步骤。以下以Cu和SnO2为例：

图1 (a) Cu(100) 平板模型示例，(b) 功函（费米能级）相对于层数的收敛测试，(c) 水吸附能相对于层数的收敛测试，(d) 水吸附能相对于k点的收敛测试。

首先需要准备Cu的晶胞，并切出相应的面。上图(a)为Cu(100)真空表面。利用吸附能和功函测试，最终得到层数为四层最佳。

图2 初步构建金属-水界面(a) 使用packmol生成的水分子盒子与金属平板模型的拼接模型，(b) 删除金属平板模型体相区域后的模型，(c) 界面模型对应的水分子密度，(d) 使用经典分子动力学平衡后的模型。

确定好平板模型的厚度及平面大小后，可使用packmol软件生成含有多个水分子的水盒子。将水盒子直接与平板模型拼接可得到图2 (a)中的初步界面模型。在此，可利用经典分子动力学对水盒子进行200至400 ps的平衡。注意，进行分子动力学模拟时，应固定表面的金属原子。其作用类似一堵墙，挡住水分子，不让其移动到金属内部。最后，还需确认水分子的密度是否正常。如图2 (c) 通过统计方法可做出水分子沿z方向的密度图。图上可以看出中间有一段平整的区域，是体相水。该区域的水密度应该为1g·cm-3，误差不超过5%，如图2(c)的橘色部分。如果水分子密度未达标，需自行增删水分子，而后再次进行分子动力学模拟并确认水密度直至达标。

图3 (a) AIMD的初始结构，其中已标出体相水的区域。(b) 界面模型的费米能级随时间变化的曲线(c) 体相水的累积静电势能随时间变化的曲线，图例的数字表示不同宽度的体相水。(d) 体相水的平均静电势能与体相水宽度的关系曲线。

最后取经典分子动力学平衡后的结构作为初始结构进行从头算分子动力学( ab initio thermodynamics, AIMD )模拟。设定模拟时间步长为0.5 fs，进行NVT系综模拟。由于界面水在经典分子动力学中模拟是不准确的，所以在AIMD模拟时，会使界面水的结构发生改变，从而影响体相水的密度。因此需确定AIMD模拟后体相水的密度仍保持在误差范围内。如超出则需要进一步的增减水分子并重新开始模拟。

根据公式(见期刊原文)，需要从AIMD得到平衡的费米能级(EF)和体相水的静电势能-eΦwat。体相水的区域定义为水盒子部分的中心对称长方体区间，其中，长方体的xy平面与盒子的xy平面等同，z方向的宽度(Bulk Water Width)需测定，如图 3 (a) 的蓝色阴影区域。将该区域的静电势能平均即可得到该时刻的-eΦwat。当EF和-eΦwat的累积平均随时间的波动在0.1-0.2 eV以内时，AIMD模拟方可停止，如图 3 (b)所示的8-16 ps的区域和 (c) 所示的20-27 ps的区域，已经较为平缓，波动不超过0.1 eV，可视为平衡。最后取时间平均的EF和-eΦwat即可带入公式计算能带排列。带入公式计算可得Cu(100)的UPZC为-0.726 V.

图4 (a) AIMD的初始结构，其中已标出体相水和体相固体的区域。(b) 体相固体的累积静电势能随时间变化的曲线，图例的数字表示不同宽度的体相固体，(c) 体相水的累积静电势能随时间变化的曲线，图例的数字表示不同宽度的体相水。(d) 体相水的平均静电势能与体相水宽度的关系曲线。

SnO2与Cu(100)的能带排列过程类似，需要从AIMD得到体相固体(-eΦsolid)。体相固体是固体部分的中心对称长方体区间，如图4 (a) 的绿色阴影区域，其静电势能求法与体相水类似。不同的是，需先用纳米平滑(nanosmoothing)的方法来平滑固体区域巨大的静电势能波动，然后再求平均。当-eΦsolid和-eΦwat的累积平均随时间的波动在0.1-0.2 eV以内时，AIMD模拟方可停止，如图4 (b)所示的8-12 ps的区域和 (c) 所示的9-12 ps的区域，已经较为平缓，波动不超过0.1 eV，可视为平衡。最后取时间平均的-eΦsolid和-eΦwat即可带入公式计算能带排列。体相水区域的宽度测试与金属界面体系类似，不再赘述。从图 6 (d)看出合适的宽度为11-11.5埃。最终确定-eΦsolid为-4.161 eV，-eΦwat为3.385 eV，HOMO和LUMO的能级分别为4.973和6.056 eV，带入公式(2)计算可得SnO2(110) VBM和CBM的能带排列分别为1.76 V和0.68 V。

总结与展望

本文介绍了如何利用从头算分子动力学进行金属-水界面体系和氧化物-水界面体系的能带排列。为得到可靠的固液界面，需要进行平板模型厚度测试，经典分子动力学的水盒子平衡，以及从头算分子动力学平衡的固液界面模型。通过界面模型的静电势能，以及体相部分的能级信息，可以得到计算的能带排列。本文计算了两个例子，分别是Cu(100)-水界面的零电荷电位(-0.726 V)，以及SnO2(110)-水界面的价带顶(1.76 V)和导带底(0.68 V)。由于DFT泛函的离域误差，相比于氧化物，金属体系的计算UPZC与实验更加吻合。

课题组介绍

课题组主页:https://cheng-group.net

程俊，厦门大学化学化工学院教授，2022年获得国家杰出青年科学基金。2002、2005年分别获得上海交通大学化学化工学院学士和硕士学位。2008年在英国贝尔法斯特女王大学获得博士学位。之后在剑桥大学化学系从事博士后研究，2010年获得剑桥大学Emmanuel学院Junior Research Fellow职位开始独立研究工作。2013年获英国阿伯丁大学永久教职。2015年获国家高层次青年人才项目，全职回厦门大学担任闽江特聘教授。

迄今为止共发表论文130余篇，论文引用约7500多次，H-Index为49。近五年以(共同)通讯作者在Nature Mater., Nature Catal. (2), Nature Chem., Nature Commun. (5), Sci. Adv. (2), PRL (1), Chem(2), ACIE(3), JACS等重要期刊发表论文。并应邀为Acc. Chem. Res.期刊、Springer和Wiley出版社等撰写综述和专章。在国际会议做邀请报告约40次。主持基金委重大项目课题、中德合作项目、华为横向课题等。

2019年获得中国电化学青年奖，2021年作为首位华人获得国际电化学会两年一次的重要奖项Alexander Kuznetsov Prize for Theoretical Electrochemistry。现担任J. Chem. Phys.副主编、《电化学》常务副主编、AIP期刊Chem. Phys. Rev.顾问编委、IOP期刊J. Phys.Energy编委。

招生信息

程俊教授课题组目前正招收2023年入学博士生，方向为机器学习结合能源材料设计，详细可通过课题组网页查看: 

https://cheng-group.net/join

关于本文

本文已在网络优先出版，将收录于《电化学》期刊的《教程范式专栏》。

引用格式：

庄永斌, 程俊. 基于从头算分子动力学的金属/氧化物-水界面能带排列[J]. 电化学, doi: 10.13208/j.electrochem.2216001.

Yong-Bin Zhuang, Jun Cheng. Band Alignment of Metal/Oxides-Water Interfaces Using Ab Initio Molecular Dynamics[J]. Journal of Electrochemistry, doi: 10.13208/j.electrochem.2216001.

DOI：

10.13208/j.electrochem.2216001

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2216001

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