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【MS应用实例】盐城工学院成果展示:Materials Studio在化学电源教学中的应用
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【MS应用实例】盐城工学院成果展示:Materials Studio在化学电源教学中的应用

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化学电源是应用化学学科应用电化学方向重要的专业必修课和相关学科的专业主干课。传统教学模式使学生对一些基本概念和基本原理难以理解,尤其是电极过程的理解使很多学生感到困惑。为提高学生的学习兴趣、增强学生的创造性思维,利用Materials Studio能形象直观地辅助课程教学。结合盐城工学院应用化学专业化学电源课程教学的现状,展示了利用 Materials Studio在电极材料、电极过程和扩散过程的教学中构建三维模型的过程,提高了教学效果。

 

引言:

化学电源是应用化学学科应用电化学方向重要的专业必修课和相关学科的专业主干课。传统教学模式使学生对一些基本概念和基本原理难以理解,尤其是电极过程的理解使很多学生感到困惑。为提高学生的学习兴趣、增强学生的创造性思维,利用Materials Studio能形象直观地辅助课程教学。结合盐城工学院应用化学专业化学电源课程教学的现状,展示了利用 MaterialsStudio在电极材料、电极过程和扩散过程的教学中构建三维模型的过程,提高了教学效果。

 

一、在电极材料中应用

Materials Studio的核心模块Materials Visualizer 提 供 了 建 模 和 显 示 的 工 具, 学 生 能 利 用Materials Visualizer构造分子、晶体材料、表面、界面、层结构和高聚物的模型,模型可以有线状、棒状、多面体等多种显示方式,并能从不同的角度操纵、查看并分析这些模型。这有助于学生理解物质的结构。

 

例如,Zn是Zn-MnO2电池和Zn-Air电池的负极活性物质,其3D模型如图1所示。

 

从图1可查找Zn晶体的对称性:在Properties explorer中的Filter选择Symmetry System选项,然后在上面的视窗中Build→Symmetry→Find Symmetry... 按下Find Symmetry选项,便可看到已找到Zn晶体为简单六方晶胞,对称性为PM63/MMC,晶胞参数为a=b=,c=,在教学中从不同视角展示这种效果,能使学生容易理解晶体的对称性的类型。

二、在电极过程教学中应用

化学电源中的电极过程实质上电极表面与电解质相互作用的过程,利用 Materials Studio可以构建各种晶体表面与电解质溶液相互作用的分子模型,并对其进行几何结构进行优化,得到分子动力学模拟的初始构型,根据实际电解质的浓度可设计出不同的分子模型。整个模型构建过程操作简单,三维模型形象生动。以碱性锌锰电池为例,构建锌电极表面与KOH相互作用的分子模型,其模型构建过程如下:

 

(1) 锌晶面的优化

首先对锌晶体进行切面,选择锌晶体的切面为(001)面,在 Forcite模块中,选择合适的力场对切好的面进行优化。对优化好的切面要扩大晶胞,在菜单栏中选 Build,然后点击Symmetry →Supercell,构建锌的晶面。接着还要把锌晶面改成晶胞,在菜单栏中选 Build,然后点击 Crystals→Build vacuumslab,在 Build Vacuum Slab Crystal 对话框中设置参数,得到一个锌的超晶胞 Zn (001) ,如图2所示。

(2) H2O和KOH分子的构建与优化

在Project Explorer中右击MS图标,点击New→3D AtomisticDocument,并把3D Atomistic Document命名为H2O,在图形界面中画上一个H2O分子,然后对水分子进行几何优化,找到它的最稳定构象,KOH分子的构建过程与水分子相似,H2O和KOH的分子模型如图3所示。

(3) KOH水溶液的无定形晶胞的构建

点击菜单栏Amorphous Cell模块,选择Calculation,在弹出的Amorphous Cell Construction对话框中,在项目文档目录中双击KOH文档,按下Add按钮,把Number下面的数字改为9; 同样,在项目文档目录 中双击H2O文档,按下Add按钮,把下面Number的数字改为55。Cell Parameters中Specify a,b参数分别与超晶胞Zn(001)参数一致。点击 Construct按钮,得到KOH水溶液的无定形晶胞,见图4。

(4) 构建Zn与KOH水溶液相互作用的界面模型

在Project Explorer中单击MS图标,在菜单栏中选Build,然后点击Build Layers,在Build Layers对话框中 Layer1选优化后的超胞Zn(001) ,Layer 2选构建好的KOH水溶液的无定形晶胞; 在Layer Details标签栏下Layer 2的Vacuum设置为25,点击build按钮,得到Zn与KOH水溶液相互作用的界面模型,如图5所示。

三、在离子扩散过程的教学中应用

扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移,直到均匀分布的现象,扩散速率与物质的浓度梯度成正比。扩散是由于分子热运动而产生的质量迁移现象,主要是由于密度差引起的。扩散现象等大量事实表明,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。传统的教学方式很难从微观角度直观地展现出化学电源中电解质溶液的扩散动态过程,学生难于理解,而利用Materials Studio就能轻松解决。以锌锰电池为例,利用 Amorphous Cell模块构建水溶液中Zn2+和Cl-的扩散模型,然后对该模型进行分子动力学模拟,得到不同时刻的动态模型,如图6所示。

四、结语

化学电源中的电极过程在教学方法上应充分利用计算机化学的最新成果,采用可视化的教学形式和教学手段,使学生不仅能学到知识,还能培养举一反三,融会贯通的能力。通过在化学电源教学中引入Materials Studio辅助教学,使原本抽象的理论教学变得具体而形象,对提高教学效果、激发学生的创造力和想象力、培养学生的结构化学学习兴趣都能起到很好的推动作用。

 

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