计算顶刊周报||Nat. Commun、Nat. Comput. Sci.、JACS、JCS Catal.

1.Nature Communications：对质子化水团簇H⁺(H₂O)₂₁的红外光谱进行了全面的定性

质子化水在稀酸溶液中的光谱特征，一直是研究质子在水中的微观行为的长期目标，而气相水团簇H⁺(H₂O)_n作为自下而上模型体系被广泛研究。在此，来自美国华盛顿大学的Sotiris S. Xantheas &日本理论分子科学实验室的Kiyoshi Yagi & 华东师范大学的何晓等研究者，提出了一种计算复杂体系红外光谱的新方法，该方法结合了基于碎片的耦合团簇方法和非简谐振动准简并微扰理论，同时证明了该方法对H⁺(H₂O)₂₁团簇红外光谱的完整准确分配的准确性。位点特异性红外光谱特征，揭示了内部四配位水分子和表面四配位水分子的两种不同结构，分别为冰状和液体状。同时，研究者讨论了水分子间相互作用的影响，发现了O-H拉伸基元与最邻近水分子的弯曲谐波之间的振动共振。过量的质子光谱特征的揭示，为进一步深入了解支撑该水系的扩展氢键网络中的电荷调节特性提供了依据。

参考文献：

Liu, J., Yang, J., Zeng, X.C. et al. Towards complete assignment of the infrared spectrum of the protonated water cluster H⁺(H₂O)₂₁. Nat Commun 12, 6141 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26284-x

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26284-x

2.Nat. Comput. Sci.：基于神经网络的相变有序参数及其在高熵合金中的应用

相变，是自然界中最重要的现象之一，在材料设计中起着核心作用。所有相变都具有合适的有序参数，包括有序-无序相变。然而，对于复杂系统，如高熵合金，找到一个有代表性的序参量并非易事。在此，来自美国橡树岭国家实验室的Junqi Yin & Zongrui Pei等研究者，针对变分自编码器(VAE)的降维特性，引入了基于VAE的有序参数。研究者提出，VAE潜空间中的曼哈顿距离可以作为有序-无序相变的一般序参量。与此同时，研究者采用多种难熔高熵合金定量解释和证明了有序参数的物理性质。利用该有序参数，模拟元素的自然混合过程，研究者提出了一种普遍适用的合金设计概念。研究者的物理可解释的基于VAE的有序参数，提供了一个全新的计算技术，可用于理解合金的化学有序，这有助于制定合理的合金设计策略。

参考文献：

Yin, J., Pei, Z. & Gao, M.C. Neural network-based order parameter for phase transitions and its applications in high-entropy alloys. Nat Comput Sci 1, 686–693 (2021). https://doi.org/10.1038/s43588-021-00139-3

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s43588-021-00139-3

3.JACS：钠离子电池中NASICON-结构阴极向高能量密度的多电子反应的激活

随着可再生能源以可持续的方式高效储存和利用电力的需求不断增加，钠离子电池技术在全球范围内的丰富程度也越来越高。纳超导体(NASICON)结构的阴极具有坚固的聚阴离子框架，由于其开放的三维结构和优越的热稳定性而引起人们的兴趣。对NASICON-结构阴极的更高能量密度的需求不断增长，促使了人们激发多电子反应，从而利用第三个钠离子获得更高的电压和更大的容量，这两者一直是钠离子电池商业化的瓶颈。在此，来自韩国首尔大学的Yong-Mook Kang等研究者，受第一性原理计算启发，采用Cr掺杂策略，可以激活氧化还原电偶V²⁺/V³⁺、V³⁺/V⁴⁺和V⁴⁺/V⁵⁺的多电子氧化还原反应，从而显著提高能量密度，可与层状氧化物和普鲁士蓝类似物相比拟。这项工作也全面阐明铬掺杂剂的作用在存储和钠的价电子跃迁过程V和Cr。该研究结果强调了，广泛应用的掺杂策略，对实现钠离子电池中具有更高能量密度的NASICON型阴极的多电子反应的重要性。

参考文献：

Chen, Mingzhe, et al. "Activating a Multielectron Reaction of NASICON-Structured Cathodes toward High Energy Density for Sodium-Ion Batteries." Journal of the American Chemical Society (2021). 

https://doi.org/10.1021/jacs.1c06727

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06727

4.JACS：咪唑啉沸石骨架酸-气稳定行为的起源：ZIF-71独特的高稳定性

沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)，是一种很有前途的工业分离材料，但最近的文献报道强调了它们在实际应用中对酸性气体(如SO₂、CO₂、NO₂、H₂S)的脆弱性。虽然之前的工作，已经证明了许多ZIFs在不同(潮湿和干燥)酸性气体环境下的广泛变化的稳定性行为，但通过经验描述符解释或关联这些实验观察的努力尚未成功。一个关键的观察是，ZIF-71 (RHO拓扑)是一种非常稳定的ZIF材料，在长时间潮湿的SO₂暴露下能保持结构和孔隙率，而许多其他著名的ZIF具有不同的连接和拓扑(如ZIF-8)已证明会被降解。在此，来自美国威斯康辛麦迪逊分校的J. R. Schmidt等研究者，通过结合基于混合量子力学/分子力学(QM/MM)的方法和统计力学模型，通过原子研究的反应机制成功地解释了这一重要的实验观察。研究者的整体方法显示，与ZIF-8 SOD相比，ZIF-71 RHO的平均缺陷形成率低9倍，从而得出结论，该材料的实验稳定性来自动力学效应。此外，研究者分析表明，两种材料的不同稳定性是由酸性气体分子的分布决定的，这是很难用经验描述符捕获的。该结果表明，这里的方法具有更广泛的适用性，可用于识别调整的官能团和拓扑结构，使酸性气体分布远离更多的活性位点，从而提高动力学稳定性。

参考文献：

Cui, Kai, et al. "Origins of Acid-Gas Stability Behavior in Zeolitic Imidazolate Frameworks: The Unique High Stability of ZIF-71." Journal of the American Chemical Society (2021). 

https://doi.org/10.1021/jacs.1c06321

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06321

5.ACS Catalysis：氧空穴和表面晶面对BiVO₄氧化水中氧或过氧化氢选择性的影响

钒酸铋(BiVO₄)，是一种很有前途的水氧化光阳极材料。然而，BiVO₄的水氧化机理和在不同表面上的选择性，仍然不是很清楚，部分原因是由于材料中氧空位的存在，带来了结构的复杂性。在此，来自西班牙巴塞罗那科学技术研究所的Franziska S. Hegner & Núria López等研究者，利用密度泛函理论，发现BiVO₄的(001)表面具有次表面空穴，最适合发生析氧反应，而纯净的(011)表面更适合发生析氢反应。此外，本文还介绍了从表面去除空穴，从而影响水氧化选择性的机理。因此，该结果强调了局部结构对三元氧化物催化选择性的关键影响。

参考文献：

Nikačević, Pavle, et al. "Influence of Oxygen Vacancies and Surface Facets on Water Oxidation Selectivity toward Oxygen or Hydrogen Peroxide with BiVO₄." ACS Catalysis 11: 13416-13422. 

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03256

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03256

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