Effect of Collective Dynamics and Anharmonicity on Entropy in Heterogenous Catalysis: Building the Case for Advanced Molecular Simulations

非谐性 统计物理学 分子动力学 化学物理 谐振子 化学 势能 纳米技术 物理 计算化学 材料科学 量子力学
作者
Greg Collinge,Simuck F. Yuk,Manh‐Thuong Nguyen,Mal‐Soon Lee,Vassiliki‐Alexandra Glezakou,Roger Rousseau
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (16): 9236-9260 被引量:98
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c01501
摘要

We present a perspective on the computational determination of entropy and its effects and consequences on heterogeneous catalysis. Special attention is paid to the role of anharmonicity (a result of collective phenomena) and the deviations from the standard harmonic oscillator approximations, which can fail to provide a reliable assessment of entropy. To address these challenges, advanced methodologies are needed that can explicitly account for these thermodynamic drivers through the appropriate statistical sampling of reactive free-energy surfaces. We discuss where anharmonicity should be expected, where it has been observed from a theoretical perspective, and the methods currently employed to address it. We concentrate on three types of systems where we have observed major, non-negligible anharmonic effects: (1) supported nanoparticles, where the migration of metal atoms, complexes, and entire clusters exhibit anharmonic behavior in their dynamic motion; (2) porous solids, where confinement effects distort potential energy surfaces and hinder molecular motions, resulting in large entropic terms; and (3) solid/liquid interfaces, where interactions between solvent molecules and adsorbed species can result in large solvent organization free energy and unique reactivity.

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