Kvantna kemija: teorija gostotnega funkcionala

Cilji in kompetence

Slušatelji bodo pridobili osnovno znanje o teoriji gostotnega funkcionala (DFT). Slušatelji se bodo naučili pripraviti, poganjati in analizirati preproste simulacije DFT. Uporabljali bodo prosto dostopne programske pakete in orodja, kot so Quantum Espresso, GAMESS ali GPAW in skriptno okolje ASE ter programski jezik Python. Slušatelji bodo spoznali molekularne in periodične sisteme, razliko v pristopu in omejitve.
Pri seminarju bodo izvedli praktični primer modeliranja za izračun difuzijske bariere na površini.

Splošne kompetence
• Poznavanje raziskovalnih metod za kvantnokemijsko modeliranje
• Sposobnost uporabe kvantnokemijskega modeliranja pri svojem raziskovalnem delu
• Razvoj komunikacijskih veščin pri predstavitvi rezultatov v pisni in ustni obliki
• Sposobnost samostojnega dela
• Sposobnost timskega dela v mednarodnem okolju

Predmetnospecifične kompetence:
• Razumevanje delovanja in omejitev metod za kvantnokemijsko modeliranje
• Razumevanje elektronske korelacije in načine za njeno aproksimacijo
• Poznavanje razlik med modernimi gostotnimi funkcionali (hibridni, GGA) in starejšimi (LDA)
• Sposobnost samostojne priprave kvantnokemijskih simulacij in njihovo poganjanje
• Sposobnost priprave modela, ki odgovarja realnemu problemu
• Sposobnost kritične analize podatkov kvantnokemijskih simulacij
• Razumevanje, kdaj DFT ni najprimernejša metoda za opis

Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti

Zaključena druga stopnja bolonjskega študija ali diploma univerzitetnega študijskega programa.

Vsebina

  1. Uvod v teorijo gostotnega funkcionala, valovna funkcija, Schrödingerjeva enačba, operatorji
  2. Hohenberg-Kohnova izreka, Kohn-Shamov formalizem, elektronska korelacija
  3. Bazni seti in psevdopotenciali
  4. Funkcionali: LDA, GGA, hibridni; problem van der Waalsovih interakcij
  5. Periodični sistemi in supercelice: Blochov izrek, recipročni prostor, Brillouinova cona
  6. Gostota stanj, struktura pasov, Fermijeva energija: razlike med kovinami in nekovinami, polprevodniki
  7. Optimizacija strukture, vibracijska analiza
  8. Born-Oppenheimerjeva in Car-Parrinellova molekulska dinamika
  9. Energijske razlike: jakost vezi, reakcijska energija, adsorpcijska energija
  10. Površine: površine energije, izstopno delo
  11. Elektronska gostota: molekulske orbitale, razlika elektronskih gostot, projicirana gostota stanj, donacija naboja in povratna donacija
  12. Kemijske reakcije: teorija prehodnega stanja, teorija trkov, iskanje prehodnih stanj, aktivacijska energija
  13. Uporaba v katalizi; homogena in heterogena kataliza, vpliv topila, posebnosti pri opisu elektrokatalize in fotokatalize.
  14. Vpliv električnega polja, nabiti sistemi, solvatacija.
  15. Praktični primer: difuzija vodika in kisika na površini.

Predvideni študijski rezultati

Slušatelji bodo pridobili pregled nad kvantnokemijskimi metodami in tehnikami.

Slušatelji bodo pridobili široko razumevanje pristopov DFT.

Slušatelji bodo imeli funkcionalno znanje, potrebno za pripravo in izvedbo kvantnokemijskih simulacij.

Slušatelji bodo sposobni analizirati in interpretirati rezultate kvantnokemijskih simulacij.

Slušatelji bodo sposobni uporabiti kvantnokemijsko modeliranje pri svojem raziskovalnem delu.

Temeljna literatura in viri

Monografije:

Giustino, Feliciano. Materials modelling using Density Functional Theory: Properties and Predictions, Oxford University Press, Oxford, 2014

Monografije

David S. Sholl, Janice A. Steckel. Density Functional Theory: A Practical Introduction. John Wiley & Sons, 2011.

Koch, Wolfram; Holthausen, Max C. A chemist's guide to density functional theory, 2. ed.: Weinheim: Wiley-VCH, cop. 2001

Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. Modern quantum chemistry: introduction to advanced electronic structure theory 1. ed., rev.: Mineola, N.Y.: Dover, 1996

Roald Hoffmann. Solids and surfaces: A chemist’s view of bonding in extended structures, Wiley-VCH, New York, 1988.

Monografije / monographies:

Giustino, Feliciano. Materials modelling using Density Functional Theory: Properties and Predictions, Oxford University Press, Oxford, 2014

David S. Sholl, Janice A. Steckel. Density Functional Theory: A Practical Introduction. John Wiley & Sons, 2011.

Koch, Wolfram; Holthausen, Max C. A chemist's guide to density functional theory, 2. ed.: Weinheim: Wiley-VCH, cop. 2001

Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. Modern quantum chemistry: introduction to advanced electronic structure theory 1. ed., rev.: Mineola, N.Y.: Dover, 1996

Roald Hoffmann. Solids and surfaces: A chemist’s view of bonding in extended structures, Wiley-VCH, New York, 1988.

Članki:

Z. W. Chen, L. X. Chen, Z. Wen, Q. Jian. Understanding electro-catalysis by using density functional theory, 21 (2019), 23782–23802.

S. Ghosh et al. Combining Wave Function Methods with Density Functional Theory for Excited States, Chemical Reviews, 118 (2018), 7249–7292.

N. Mardirossian, M.-H. Gordon. Thirty years of density functional theory in computational chemistry: an overview and extensive assessment of 200 density functionals, Molecular Physics, Vol. 115 (2017), 2315–2372.

A. Jain, Y. Shain, K. A. Persson, Computational predictions of energy materials using density functional theory, Nature Reviews Materials, Vol. 1 (2016), 15004

R. O. Jones, Density functional theory: Its origins, rise to prominence, and future, Reviews of Modern Physics, Vol. 87 (2015), 897–923

B. Hammer, J. K. Norskov, Theoretical surface science and catalysis –Calculations and concepts, Advances in Catalysis, 45 (2000), 71–129

Načini ocenjevanja

Ustni izpit, seminarska naloga, zagovor seminarske naloge

Reference nosilca

  1. HOČEVAR, Brigita, PRAŠNIKAR, Anže, HUŠ, Matej, GRILC, Miha, LIKOZAR, Blaž. H2−free Re-based catalytic dehydroxylation of aldaric acid to muconic and adipic acid esters. Angewandte Chemie : International edition. 18 Jan. 2021, vol. 60, iss. 3, str. 1244-1253. ISSN 1433-7851
    IF: 12.96.

  2. HUŠ, Matej, KOPAČ, Drejc, BAJEC, David, LIKOZAR, Blaž. Effect of surface oxidation on oxidative propane dehydrogenation over chromia: an ab initio multiscale kinetic study. ACS catalysis. 2021, 11, 17, str. 11233-11247, ilustr. ISSN 2155-5435.
    IF: 12.35

  3. KOPAČ, Drejc, LIKOZAR, Blaž, HUŠ, Matej. How size matters: electronic, cooperative, and geometric effect in perovskite-supported copper catalysts for CO2 reduction. ACS catalysis. 3. Apr. 2020, vol. 10, iss. 7, str. 4092-4102, ilustr. ISSN 2155-5435.
    IF: 12.35

  4. KOPAČ, Drejc, LAŠIČ JURKOVIĆ, Damjan, LIKOZAR, Blaž, HUŠ, Matej. First-principles-based multiscale modelling of nonoxidative butane dehydrogenation on Cr2O3(0001). ACS catalysis. 2020, vol. 10, iss. , str. 14732-14746, ilustr. ISSN 2155-5435.
    IF: 12.35

  5. HUŠ, Matej, DASIREDDY, Venkata D. B. C., STRAH ŠTEFANČIČ, Neja, LIKOZAR, Blaž. Mechanism, kinetics and thermodynamics of carbon dioxide hydrogenation to methanol on Cu/ZnAl2O4spinel-type heterogeneous catalysts. Applied catalysis. B, Environmental, ISSN 0926-3373, Jun. 2017, vol. 207, 267-278.
    IF: 9.45.