多原子反应体系的高精度拟合势能面

傅碧娜 陈俊 刘天辉 邵科杰 张东辉

引用本文: 傅碧娜, 陈俊, 刘天辉, 邵科杰, 张东辉. 多原子反应体系的高精度拟合势能面[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 145-157. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803281 shu
Citation:  FU Bina, CHEN Jun, LIU Tianhui, SHAO Kejie, ZHANG Dong H.. Highly Accurately Fitted Potential Energy Surfaces for Polyatomic Reactive Systems[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(2): 145-157. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803281 shu

多原子反应体系的高精度拟合势能面

    作者简介: 傅碧娜,1981年生。2004年本科毕业于大连理工大学物理系,2009年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所。现为中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室研究员。主要研究方向为气相多原子分子反应以及气相-表面化学反应的势能面构建和动力学研究;



    张东辉,1967年生。1989年本科毕业于复旦大学物理系,1994年博士毕业于纽约大学。2017年当选中国科学院院士。现为中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室主任。主要研究方向为气相和表面化学反应动力学理论和计算研究;
    通讯作者: 傅碧娜, bina@dicp.ac.cn; 张东辉, zhangdh@dicp.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21722307, 21673233, 21590804, 21433009, 21688102)和中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB17000000)资助

摘要: 本文介绍了近几年来我们组构建多原子反应体系的高精度拟合势能面的进展。我们基于神经网络(NN)方法,成功构建了多原子气相分子体系和气相分子在金属表面解离的一系列势能面。这些势能面的拟合精度相当高,并且经过了严格的量子动力学测试,能广泛应用到动力学研究中。我们还提出了一种新的置换不变势能面的拟合方法,即基本不变量神经网络方法(FI-NN)。基本不变量的使用极大地减少了神经网络输入层多项式的个数,有效提高了势能面的计算速度。

English

    1. [1]

      Bowman, J. M.; Schatz, G. C. Annu. Rev. Phys. Chem. 1995, 46, 169. doi: 10.1146/annurev.pc.46.100195.00112

    2. [2]

      Zhang, J. Z. H.; Dai, J.; Zhu, W. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 2746. doi: 10.1021/jp9620734

    3. [3]

      Miller, M. H. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1997, 93, 685. doi: 10.1039/A606858H

    4. [4]

      Clary, D. C. Science 1998, 279, 1879. doi: 10.1126/science.279.5358.1879

    5. [5]

      Althorpe, S. C.; Clary, D. C. Annu. Rev. Phys. Chem. 2003, 54, 493. doi: 10.1146/annurev.physchem.54.011002.103750

    6. [6]

      Balint-Kurti, G. G. Int. Rev. Phys. Chem. 2008, 27, 507. doi: 10.1080/01442350802102379

    7. [7]

      Guo, H. Int. Rev. Phys. Chem. 2012, 31, 1. doi: 10.1080/0144235X.2011.649999

    8. [8]

      Yarkony, D. R. Chem. Rev. 2012, 112, 481. doi: 10.1021/cr2001299

    9. [9]

      Nyman, G.; Yu, H. -G. Int. Rev. Phys. Chem. 2013, 32, 39. doi: 10.1080/0144235X.2012.735863

    10. [10]

      Otto, R.; Ma, J.; Ray, A. W.; Daluz, J. S.; Li, J.; Guo, H.; Continetti, R. E. Science 2014, 343, 396. doi: 10.1126/science.1247424

    11. [11]

      Liu, K. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 139. doi: 10.1146/annurev.physchem.52.1.139

    12. [12]

      Fernandez-Alonso, F.; Zare, R. N. Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 67. doi: 10.1146/annurev.physchem.53.091001.094554

    13. [13]

      Balucani, N.; Capozza, G.; Leonori, F.; Segoloni, E.; Casavecchia, P. Int. Rev. Phys. Chem. 2006, 25, 109. doi: 10.1080/01442350600641305

    14. [14]

      Yang, X. Annu. Rev. Phys. Chem. 2007, 58, 433. doi: 10.1146/annurev.physchem.58.032806.104632

    15. [15]

      Crim, F. F. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 12654. doi: 10.1073/pnas.0803010105

    16. [16]

      Liu, K. Adv. Chem. Phys. 2012, 149, 1. doi: 10.1002/9781118180396.ch1

    17. [17]

      Guo, H.; Liu, K. Chem. Sci. 2016, 7, 3992. doi: 10.1039/C6SC01066K

    18. [18]

      Qiu, M.; Ren, Z.; Che, L.; Dai, D.; Harich, S. A.; Wang, X.; Yang, X.; Xu, C.; Xie, D.; Gustafsson, M.; et al. Science 2006, 311, 1440. doi: 10.1126/science.1123452

    19. [19]

      Che, L.; Ren, Z.; Wang, X.; Dong, W.; Dai, D.; Wang, X.; Zhang, D. H.; Yang, X.; Sheng, L.; Li, G.; et al. Science 2007, 317, 1061. doi: 10.1126/science.1144984

    20. [20]

      Wang, X.; Dong, W.; Xiao, C.; Che, L.; Ren, Z.; Dai, D.; Wang, X.; Casavecchia, P.; Yang, X.; Jiang, B.; et al. Science 2008, 322, 573. doi: 10.1126/science.1163195

    21. [21]

      Wang, T.; Chen, J.; Yang, T.; Xiao, C.; Sun, Z.; Huang, L.; Dai, D.; Yang, X.; Zhang, D. H. Science 2013, 342, 1499. doi: 10.1126/science.1246546

    22. [22]

      Yang, T.; Chen, J.; Huang, L.; Wang, T.; Xiao, C.; Sun, Z.; Dai, D.; Yang, X.; Zhang, D. H. Science 2015, 347, 60. doi: 10.1126/science.1260527

    23. [23]

      Xiao, C.; Xu, X.; Liu, S.; Wang, T.; Dong, W.; Yang, T.; Sun, Z.; Dai, D.; Xu, X.; Zhang, D. H.; et al. Science 2011, 333, 440. doi: 10.1126/science.1205770

    24. [24]

      Zhang, W.; Zhou, Y.; Wu, G.; Lu, Y.; Pan, H.; Fu, B.; Shuai, Q.; Liu, L.; Liu, S.; Zhang, L.; et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 12782. doi: 10.1073/pnas.1006910107

    25. [25]

      Zhang, D. H.; Guo, H. Annu. Rev. Phys. Chem. 2016, 67, 135. doi: 10.1146/annurev-physchem-040215-112016

    26. [26]

      Zhang, Z.; Zhou, Y.; Zhang, D. H.; Czakó, G.; Bowman, J. M. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3416. doi: 10.1021/jz301649w

    27. [27]

      Liu, R.; Yang, M.; Czakó, G.; Bowman, J. M.; Li, J.; Guo, H. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3776. doi: 10.1021/jz301735m

    28. [28]

      Welsch, R.; Manthe, U. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 338. doi: 10.1021/jz502525p

    29. [29]

      Zhao, Z.; Zhang, Z.; Liu, S.; Zhang, D. H. Nat. Commun. 2017, 8, 14506. doi: 10.1038/ncomms14506

    30. [30]

      Fu, B.; Shan, X.; Zhang, D. H.; Clary, D. C. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 7625. doi: 10.1039/C7CS00526A

    31. [31]

      Dawes, R.; Thompson, D. L.; Wagner, A. F.; Minkoff, M. J. Chem. Phys. 2008, 128, 084107. doi: 10.1063/1.2831790

    32. [32]

      Collins, M. A. Theor. Chem. Acc. 2002, 108, 313. doi: 10.1007/s00214-002-0383-5

    33. [33]

      Braams, B. J.; Bowman, J. M. Int. Rev. Phys. Chem. 2009, 13, 577. doi: 10.1080/01442350903234923

    34. [34]

      Bowman, J. M.; Czakó, G.; Fu, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 28, 8094. doi: 10.1039/C0CP02722G

    35. [35]

      Raff, L. M.; Malshe, M.; Hagan, M.; Doughan, D. I.; Rockley, M. G.; Komanduri, R. J. Chem. Phys. 2005, 122, 084104. doi: 10.1063/1.1850458

    36. [36]

      Chen, J.; Xu, X.; Xu, X.; Zhang, D. H. J. Chem. Phys. 2013, 138, 154301. doi: 10.1063/1.4801658

    37. [37]

      Chen, J.; Xu, X.; Xu, X.; Zhang, D. H. J. Chem. Phys. 2013, 138, 221104. doi: 10.1063/1.4811109

    38. [38]

      Jiang, B.; Guo, H. J. Chem. Phys. 2013, 139, 054112. doi: 10.1063/1.4817187

    39. [39]

      Li, J.; Jiang, B.; Guo, H. J. Chem. Phys. 2013, 139, 204103. doi: 10.1063/1.4832697

    40. [40]

      Shao, K.; Chen, J.; Zhao, Z.; Zhang, D. H. J. Chem. Phys. 2016, 145, 071101. doi: 10.1063/1.4961454

    41. [41]

      Bartlett, R. J.; Musiał, M. Rev. Mod. Phys. 2007, 79, 291. doi: 10.1103/RevModPhys.79.291

    42. [42]

      Werner, H. -J. Adv. Chem. Phys. 1987, 69, 1. doi: 10.1002/9780470142943.ch1

    43. [43]

      Schatz, G. C. Rev. Mod. Phys. 1989, 61, 669. doi: 10.1103/RevModPhys.61.669

    44. [44]

      Hollebeek, T.; Ho, T. S.; Rabitz, H. Annu. Rev. Phys. Chem. 1999, 50, 537. doi: 10.1146/annurev.physchem.50.1.537

    45. [45]

      Zhou, Y.; Fu, B.; Wang, C.; Collins, M. A.; Zhang, D. H. J. Chem. Phys. 2011, 134, 064323. doi: 10.1063/1.3552088

    46. [46]

      Fu, B.; Han, Y.; Bowman, J. M.; Angelucci, L.; Balucani, N.; Leonori, F.; Casavecchia, P. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 9733. doi: 10.1073/pnas.1202672109

    47. [47]

      Yang, J.; Shao, K.; Zhang, D.; Shuai, Q.; Fu, B.; Zhang, D. H.; Yang, X. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3106. doi: 10.1021/jz5016923

    48. [48]

      Raff, L. M.; Komanduri, R.; Hagan, M.; Bukkapatnam, S. Neural Networks in Chemical Reaction Dynamics; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2012.

    49. [49]

      Blank, T. B.; Brown, S. D.; Calhoun, A. W.; Doren, D. J. J. Chem. Phys. 1995, 103, 4129. doi: 10.1063/1.469597

    50. [50]

      Brown, D. F. R.; Gibbs, M. N.; Clary, D. C. J. Chem. Phys. 1996, 105, 7597. doi: 10.1063/1.472596

    51. [51]

      Manzhos, S.; Wang, X. G.; Dawes, R.; Carrington, T. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 5295. doi: 10.1021/jp055253z

    52. [52]

      Behler, J.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 146401. doi: 10.1103/PhysRevLett.98.146401

    53. [53]

      Pukrittayakamee, A.; Malshe, M.; Hagan, M.; Raff, L. M.; Narulkar, R.; Bukkapatnam, S.; Komanduri, R. J. Chem. Phys. 2009, 130, 134101. doi: 10.1063/1.3095491

    54. [54]

      Handley, C. M.; Popelier, P. L. A. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 3371. doi: 10.1021/jp9105585

    55. [55]

      Behler, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 17930. doi: 10.1039/C1CP21668F

    56. [56]

      Xu, X.; Chen, J.; Zhang, D. H. Chin. J. Chem. Phys. 2014, 27, 373. doi: 10.1063/1674-0068/27/04/373-379

    57. [57]

      Hagan, M.; Menhaj, M. IEEE Trans. Neural Networks 1994, 5, 989. doi: 10.1109/72.329697

    58. [58]

      Clary, D. C. Rate Coefficients in Astrochemistry; Millar, T. J., Williams, D. A., Eds. ; Astrophysics and Space Science Library; Springer: The Netherlands, 1988; Vol. 146; Chapter 1, pp. 1–16.

    59. [59]

      Warnatz, J. Combustion Chemistry; Gardiner, W., Ed. ; Springer-Verlag: New York, NY, USA, 1985; Chapter 5.

    60. [60]

      Schatz, G. C.; Elgersma, H. Chem. Phys. Lett. 1980, 73, 21. doi: 10.1016/0009-2614(80)85193-1

    61. [61]

      Ochoa de Aspuru, G.; Clary, D. C. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 9631. doi: 10.1021/jp982433i

    62. [62]

      Pogrebnya, S. K.; Palma, J.; Clary, D. C.; Echave, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2000, 2, 693. doi: 10.1039/A908080E

    63. [63]

      Wu, G. -S.; Schatz, G. C.; Lendvay, G.; Fang, D. -C.; Harding, L. B. J. Chem. Phys. 2000, 113, 3150. doi: 10.1063/1.1287329

    64. [64]

      Yang, M. H.; Zhang, D. H.; Collins, M. A.; Lee, S. Y. J. Chem. Phys. 2001, 115, 174. doi: 10.1063/1.1372335

    65. [65]

      Finlayson-Pitts, B. J. ; Pitts, J. N. Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere; Academic Press: San Diego, CA, USA, 2000.

    66. [66]

      Miller, J. A.; Kee, R. J.; Westbrook, C. K. Annu. Rev. Phys. Chem. 1990, 41, 345. doi: 10.1146/annurev.pc.41.100190.002021

    67. [67]

      Kudla, K.; Schatz, G. C.; Wagner, A. F. J. Chem. Phys. 1991, 95, 1635. doi: 10.1063/1.461076

    68. [68]

      Bradley, K. S.; Schatz, G. C. J. Chem. Phys. 1997, 106, 8464. doi: 10.1063/1.473923

    69. [69]

      Yu, H. G.; Muckerman, J. T.; Sears, T. J. Chem. Phys. Lett. 2001, 349, 547. doi: 10.1016/S0009-2614(01)01238-6

    70. [70]

      Lakin, M. J.; Troya, D.; Schatz, G. C.; Harding, L. B. J. Chem. Phys. 2003, 119, 5848. doi: 10.1063/1.1602061

    71. [71]

      Valero, R.; van Hemert, M. C.; Kroes, G. J. Chem. Phys. Lett. 2004, 393, 236. doi: 10.1016/j.cplett.2004.06.036

    72. [72]

      Li, J.; Wang, Y.; Jiang, B.; Ma, J.; Dawes, R.; Xie, D.; Bowman, J. M.; Guo, H. J. Chem. Phys. 2012, 136, 041103. doi: 10.1063/1.3680256

    73. [73]

      Jordan, M. J. T.; Gilbert, R. G. J. Chem. Phys. 1995, 102, 5669. doi: 10.1063/1.469298

    74. [74]

      Espinosa-García, J.; Corchado, J. C. J. Phys. Chem. 1996, 100, 16561. doi: 10.1021/jp961608q

    75. [75]

      Wu, T.; Werner, H. -J.; Manthe, U. Science 2004, 306, 2227. doi: 10.1126/science.1104085

    76. [76]

      Zhang, X.; Braams, B. J.; Bowman, J. M. J. Chem. Phys. 2006, 124, 021104. doi: 10.1063/1.2162532

    77. [77]

      Xie, Z.; Bowman, J. M.; Zhang, X. J. Chem. Phys. 2006, 125, 133120. doi: 10.1063/1.2238871

    78. [78]

      Agrafiotis, D. K.; Cedeño, W.; Lobanov, V. S. J. Chem. Inform. Comput. Sci. 2002, 42, 903. doi: 10.1021/ci0203702

    79. [79]

      Chorkendorff, I. ; Niemantsverdriet, J. W. Concepts of Modern Catalysis and Kinetics; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2003.

    80. [80]

      Jiang, B.; Xie, D.; Guo, H. Chem. Sci. 2013, 4, 503. doi: 10.1039/c2sc21393a

    81. [81]

      Jiang, B.; Ren, X.; Xie, D.; Guo, H. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 10224. doi: 10.1073/pnas.1203895109

    82. [82]

      Ovesen, C. V.; Stoltze, P.; Norskov, J. K.; Campbell, C. T. J. Catal. 1992, 134, 445. doi: 10.1016/0021-9517(92)90334-E

    83. [83]

      Liu, T.; Zhang, Z.; Fu, B.; Yang, X.; Zhang, D. H. Chem. Sci. 2016, 7, 1840. doi: 10.1039/c5sc03689e

    84. [84]

      Zhang, Z.; Liu, T.; Fu, B.; Yang, X.; Zhang, D. H. Nat. Commun. 2016, 7, 11953. doi: 10.1038/ncomms11953

    85. [85]

      Li, J.; Chen, J.; Zhang, D. H.; Guo, H. J. Chem. Phys. 2014, 140, 044327. doi: 10.1063/1.4863138

    86. [86]

      Li, J.; Chen, J.; Zhao, Z.; Xie, D.; Zhang, D. H.; Guo, H. J. Chem. Phys. 2015, 142, 204302. doi: 10.1063/1.4921412

    87. [87]

      苏乃强, 陈俊, 徐昕, 张东辉.物理化学学报, 2016, 32, 119. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512011Su, N. Q.; Chen, J.; Xu, X.; Zhang, D. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 119. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512011

    88. [88]

      Su, N. Q.; Chen, J.; Sun, Z.; Zhang, D. H.; Xu, X. J. Chem. Phys. 2015, 142, 084107. doi: 10.1063/1.4913196

    89. [89]

      Chen, J.; Su, N. Q.; Xu, X.; Zhang, D. H. J. Comput. Chem. 2017, 38, 2326. doi: 10.1002/jcc.24886

    90. [90]

      Decker, W. ; Greuel, G. -M. ; Pfister, G. ; Schönemann, H. Singular 4-0-2-A Computer Algebra System for Polynomial Computations. http: //www. singular. uni-kl. de, 2015.

    91. [91]

      King, S. A. J. Symb. Comput.2013, 48, 101. doi: 10.1016/j.jsc.2012.05.002

    92. [92]

      陈俊, 张东辉.中国科学:化学, 2015, 45, 1241. doi: 10.1360/N032015-00148Chen, J.; Zhang, D. H. Sci. China Chem. 2015, 45, 1241. doi: 10.1360/N032015-00148

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  29
  • 文章访问数:  1845
  • HTML全文浏览量:  355
文章相关
  • 发布日期:  2019-01-15
  • 收稿日期:  2018-03-01
  • 接受日期:  2018-03-23
  • 修回日期:  2018-03-22
  • 网络出版日期:  2018-01-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章