笔者的科研方向为应用计算化学与分子模拟的方法研究能源转换与催化材料，熟悉多种材料模拟计算或结构建模软件，如Materials Studio，ADF (Amsterdam Density Functional)，Gaussian，VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package)，VESTA (Visualization for Electronic and STructural Analysis)等。承担的本科生课程包括大学化学、化学电源等学科基础课程和专业课程，讲授内容均涉及电化学原理与应用。特别是化学电源课程，掌握各种不同电源中(锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器等)电极材料的种类、结构、性能等内容是教学大纲的基本要求。将以上科研工作软件应用到大学化学、化学电源等课程的多个章节中，使教学内容从抽象到直观、从复杂变得简单。不仅可以增强教学趣味性，提高课堂教学效率，突破教学难点[3–5]，更重要的是可以提升学生的探索精神，培养科研思维能力。本文将简述几个Materials Studio和VESTA等科研工作软件在电化学教学中的应用实例。
1 应用实例一：电极材料建模与显示
在讲授锂离子电池正极材料钴酸锂(LiCoO2)时，大多数学生对其层状结构以及Li+、Co3+、O2−等元素的相对排布不是特别容易理解，尽管这对从事电极材料研究方向的研究生来说很容易。借助于免费的电子和结构分析可视化软件VESTA，这一问题可以迎刃而解。VESTA是完全免费的软件，且体积小(最新版本不到50 MB)，无需安装，可方便师生在课堂上或课下快捷地使用。步骤如下：
(1)首先用VESTA软件打开LiCoO2的晶胞结构，如图1a所示，蓝色代表Co，绿色代表Li，红色代表O。在该视图下，缺乏扎实晶体结构基础知识的学生很难准确地看出各元素的排列关系。
图1
(3)在Style界面下，点击“Polyhedral”，目的是让晶胞以多面体形式展现，可以得到以Li为体心、六个O为顶点的八面体结构，即LiCoO2晶胞中Li位于氧层中交替的八面体体心位置。为了更清楚地看清体心的元素Li，可以设置显示透明度。在Objects → Properties → Polyhedra → Opacity界面下设置，数值范围为0–255。实际上设置的是不透明度Opacity，数值越小，不透明度越小，即透明度越大，体心的元素越容易看清楚。设置Opacity为150，如图1d所示。
(4)重复步骤(2)，将Co与O的最大距离设为2.5，最终得到图1e。LiCoO2的层状结构很明确地显示出来，且Li+和Co3+均位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体体心位置。因此，借助此软件，学生对LiCoO2的结构感受直观、理解容易、印象深刻。此外，该软件可以对晶胞结构进行360度旋转、放大缩小、以及键长键角测量等操作，使学生非常直观地掌握其它不同种类的电极材料的三维结构等知识。
2 应用实例二：燃料电池催化剂
2.1 催化活性的制约因素：催化剂种类
以氧气分子在铂团簇(Pt4)和铜团簇(Cu4)这两种不同金属催化剂上的解离活化能为例，定量表征催化剂种类不同对催化活性的影响。步骤如下：
(1)分别构造O2分子在Pt4(Cu4)团簇上的吸附结构和解离结构，在GGA-BLYP-DNP水平下进行结构优化(体系的自旋多重度设置为“Auto”)。
(2)应用LST/QST方法搜索O2分子在Pt4(Cu4)团簇上的过渡态，得到解离活化能，结果分别为34.5和88.8 kJ·mol−1，如图2所示。若将它们代入Arrhenius公式k = Aexp(−Ea/RT)，并假设两种催化剂的指前因子A相等，反应温度为298 K，则反应速率常数之比
图2
2.2 催化活性的制约因素：尺寸效应
以O2分子在Pt4团簇和Pt10团簇这两种不同尺寸的Pt粒子上的解离活化能为例，定量表征催化剂尺寸不同对催化活性的影响。步骤如上节所述，结果见图3。活化能分别为34.5和62.4 kJ·mol−1，很显然Pt4的催化活性更高。
图3
2.3 催化活性的制约因素：表面结构
以O2分子在Pt4团簇和Pt3Cu团簇这两种具有不同表面结构的催化剂上的解离活化能为例，定量表征催化剂表面结构不同对催化活性的影响。步骤如上节所述，结果见图4。反应速率常数之比kPt4/kPt3Cu = 19。仍然是Pt4的催化活性更高。通过Materials Studio软件的简单应用，影响催化剂催化活性的主要因素便可定量地理解。
图4
参考文献
DOI:10.1021/jp047349j [本文引用: 1]
DOI:10.1021/acs.jpcc.5b02505 [本文引用: 1]
DOI:10.1016/j.apsusc.2018.12.014 [本文引用: 1]
