A fast species redistribution approach to accelerate the kinetic Monte Carlo simulation for heterogeneous catalysis

文献情報

出版日 2020-03-05
DOI 10.1039/D0CP00554A
インパクトファクター 3.676
著者

Xiao-Ming Cao, Zheng-Jiang Shao


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要旨

The first-principles kinetic Monte Carlo (kMC) simulation has been demonstrated as a reliable multiscale modeling approach in silico to disclose the interplay among all the elementary steps in a complex reaction network for heterogeneous catalysis. Heterogeneous catalytic systems frequently contain fast surface diffusion processes of some adsorbates while the elementary steps in it would be much slower than those in fast diffusion. Consequently, the kMC simulation for these systems is easily trapped in the sub-basins of a super basin on a potential energy surface due to the continuous and repeated sampling of these fast processes, which would significantly increase the total accessible simulation time and even make it impossible to get the reasonable simulation results using the kMC simulation. In this work, we present an improved fast species redistribution (FSR) method for the kMC simulation to overcome the stiffness problem resulting from the low-barrier surface diffusion to accelerate the heterogeneous catalytic kMC simulation. Taking CO oxidations on Pt(111) and Pt(100) as examples, we demonstrate that the FSR approach can properly reproduce the results of an equivalent first-principles microkinetic model simulation with more reasonable reaction rates. The improved kMC simulation based on the FSR method can accurately incorporate the effect of the fast diffusion of species on the surface and provide several orders of magnitude of acceleration compared to the standard kMC simulation.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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