分子轨道理论实战带训！2天实战12讲拿下轨道理论计算
1.课程背景
在化学中，轨道是一个极其重要的概念和工具，从单原子内部的电子排布和原子轨道，到复杂的多原子键合与分子轨道。例如我们耳熟能详的σ轨道和π轨道，以及轨道填充。轨道帮助我们将分子和固体中电子的能级与分布，通过一定的数学工具，形象展示电子在空间的分布，并尤其衍生前线轨道、轨道交互作用、投影以及局域/非局域轨道等。但很多初学者，往往对如下问题很困惑：
轨道是什么？为甚么相同分子，会出现不同的轨道表示？如何用轨道理解小分子吸附和催化剂作用机理？轨道如何计算，又如何可视化？等等...
2.课程介绍
面对这些问题，我们有必要系统学习分子轨道理论，从简单小分子入手，完整理解轨道的定域与离域特征，通过案例学习如何计算、分析分子轨道，并将轨道同能带、态密度等电子结构信息结合起来，用以分析表面作用和催化机理。用案例说话，所学即所得！3节理论配合3节操作，每节操作都有完整案例，包含建模、参数测试、计算、数据分析，全套带领练习，让你获得完整的计算训练。把经典案例学透！
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计算老司机孙老师长期从事计算模拟20余年，长期工作于能源与环境催化第一线，迄今已在Nature、Nature Materials、JACS、Angew.、EES、Nat. Commun.、AM、AEM、AFM等期刊发表260余篇论文，引用20000余次，单篇最高引用4000余次。孙老师善于将复杂问题通过浅显易懂的比喻进行深入讲解，课堂生动有故事，计算理论分析到位，实际操作解说细腻，其开辟的哔哩哔哩站计算老司机和公众号颇受广大学员好评。
2.分子轨道理论课程表
课时
时间
课程内容
主要工作
18-9
分子轨道理论基础
1.1 分子轨道理论基础
1.2 定域和非定域轨道
1.3 分子轨道定性分析
1.4 分子轨道波函数计算方法
1.5 分子轨道可视化分析
2
9-10
非周期结构分子轨道
2.1 双原子到多原子分子轨道
2.2 波函数方法计算
2.3 小分子轨道计算与分析
2.4 过渡金属间作用
2.5 金属-小分子作用案例
3
10-11
周期结构分子轨道
3.1 周期结构的轨道与可视化
3.2 三维块体的轨道计算
3.3 表面块体的轨道计算
3.4 吸附体系的轨道计算
3.5 分子轨道用以催化分析
4
11-12
孤立分子计算与轨道可视化
（实际操作）
4.1 CO/CO2分子轨道计算
4.2 轨道空间可视化
4.3 轨道属性判断(成键/反键；σ/π)
4.4 分子轨道定量分析
5
19-20
固体计算与轨道可视化
（实际操作）
5.1 金属Pd表面的轨道计算
5.2 半导体TiO2的轨道计算
5.3 固体轨道与能带对比分析
5.4 前线轨道占据与可视化分析
6
20-21
分子轨道分析实战
（实际操作）
6.1 小分子在固体表面吸附构型优化
6.2 关键轨道识别与活性空间
6.3 轨道电荷用以活化分析
6.4 轨道用以电荷分离分析
6.5 轨道与态密度/能带的组合分析
1分子轨道的基本概念
不少计算初学者并没有夯实的理论化学基础，虽然有心用分子轨道理论，但总担心自己对基础理论的理解有偏差，而难以将这一有力武器用到真实体系。要增强信心、正确使用分子轨道，需要回到基本概念的理解上来。
老司机基于很多同学的已有基础在原子轨道AO和电子排布，利用简单分子体系详细讲解分子轨道理论，例如分子轨道如何从原子轨道组合得到、σ和π键、节面、成键与反键、孤对电子、键级、前线轨道等。然后通过分子轨道的片段作用将分子轨道理论应用到非周期结构（分子、团簇）和周期体系（块体、表面），用以解决实际问题。
选择小而巧的例子，结合已有基础，打消学习理论的恐惧，更能自己计算并可视化这些轨道，能更好地理解一系列的基础概念，为正确使用这一工具奠定基础！
2非周期体系的分子轨道分析
分子轨道在实际科研实践中形成战斗力的一个关键是：我们能抓住关键轨道和轨道作用用以分析。实际上，我们能不断在顶刊看到这种基于分子轨道理论简化分析的研究工作。
一个经典案例：C60阴离子在不同带电状态时会呈现金属性（甚至超导）和半导体特性(Science, 310, 453-454; Science, 310, 468-470(2005))。研究人员通过比较中性C60和C60的不同带电状态的分子轨道，清楚展示了C603-和C604-的不同：前者三个电子填入简并能级，而后者会出现轨道的去简并而呈现窄禁带，体现半导体性。这种分析方法，可以让我们用非常简明的分子轨道图而清晰展示特定结构背后的物理和化学，将理论和实验高效联系起来。
3周期结构的分子轨道分析
有些同学会因为分子轨道中的“分子”二字而误以为这一理论工具不能用于固体和表面。这其实是误解，周期结构同样可以采用分子轨道理论分析。不仅如此，我们还可以将分子轨道和密度泛函的计算直接相关联，例如能带、态密度、电子密度差分等，用以表面分析
下图给出了一个典型案例，氮气在非金属表面Si活性位的吸附与活化（ChemCatChem 2021, 13, 1239-1245；App. Surf. Sci. 2022, 572, 151441）。我们会看到，顶位吸附时N2向Si转移电荷，这虽然能活化氮气，但电子要从3σ拿走电子很困难（仅转移0.066e），而N2以酶吸附模式吸附时，则是Si向N2注入电子，而且要显著地多（0.197e）, 因为N2接受电子的轨道是最低空轨道1π*，导致N2更有效地活化。
晶体场理论
1.课程背景
过渡金属因价电子层富含d电子，其化学更为丰富、复杂。当我们将分子轨道方法应用到过渡金属，会发现诸多特有的现象，其中高度简并的d轨道因周边化学环境差异而产生的能级分裂，尤为有趣，这是晶体场理论的基础，而研究金属在不同配体环境下的能级分裂正是晶体场的主要内容。
虽然过渡金属M是主角，配体L是导致能级分裂的原因，而且大部分情形下M周围围绕多个相同或不同的配体，这使得M-L之间的作用成为解决问题的钥匙，例如金属价态、催化性能、电子跃迁等。
2.课程介绍
本课程着眼于晶体场理论的基础概念，帮助初学者首先理解其内核，并建立相对简明的分析规范，例如在标准场使用这一分析工具。随后，老司机会介绍群轨道分析，将M-L作用简化为耳熟能详的σ和π作用，并详细讲解如何用对称来快速给出复杂的能级分裂。最后，会把这一套分析方法分别用到单核、多核、理想固体、表面计算和吸附活化分析，并同典型密度泛函计算数据想结合进行对照分析。我们的学习，会层次递进：基础内核 à轨道分析方法à复杂体系应用，用案例说话，所学即所得！3节理论配合3节操作，每节操作都有完整案例，包含模型、参数测试、计算、数据分析，全套带领练习，让你获得完整的计算训练。把经典案例学透！
腾讯课堂直播学习，录播反复观看，答疑群长期答疑！10月31号，不见不散！（与30号晶体场课程一起报名，可减免598元哦）
计算老司机孙老师长期从事计算模拟20余年，长期工作于能源与环境催化第一线，迄今已在Nature、Nature Materials、JACS、Angew.、EES、Nat. Commun.、AM、AEM、AFM等期刊发表260余篇论文，引用20000余次，单篇最高引用4000余次。孙老师善于将复杂问题通过浅显易懂的比喻进行深入讲解，课堂生动有故事，计算理论分析到位，实际操作解说细腻，其开辟的哔哩哔哩站计算老司机和公众号颇受广大学员好评。
3.晶体场理论课程表
课时
时间
课程内容
主要工作
18:00-9:00
晶体场理论基础
1.1 d轨道分裂与多面体场
1.2 三个能量的定量计算
1.3 姜泰勒效应
1.4 电子统计与18电子规则
1.5 M-L电荷转移规则
9:00-10:00
非周期体系晶体场分析
2.1 M-L σ键合
2.2 M-L π键合
2.3 配位作用微扰处理
2.4 双金属核与多金属核
2.5 非周期晶体场与量化计算
10:00-11:00
周期体系晶体场分析
3.1 周期体系轨道与能带
3.2 理想块体中的轨道分析
3.3 表面体系的轨道分析
3.4 单原子催化中的晶体场分析
3.5 周期体系晶体场与DFT计算
11:00-12:00
孤立络合分子晶体场
（实际操作，高斯软件）
4.1 单核络合物计算
4.2 单核体系的M-L轨道分析
4.3 双核络合物计算
4.4 双核体系的d-d轨道分析
19:00-20:00
理想块体晶体场计算
（实际操作，VASP软件）
5.1 锐钛矿和金红石TiO2计算
5.2 TiO6八面体场能级定性分析
5.3 晶体场与能带投影结合对比
5.4 晶体场与投影态密度结合分析
20:00-21:00
表面晶体场计算分析
（实际操作，VASP软件）
6.1 Fe-N3和Fe-N4单原子计算
6.2 表面Fe原子的晶体场定性分析
6.3 晶体场与投影态密度和电子积分
6.4 小分子吸附到Fe-N3和Fe-N4
6.5 Fe的分裂场与小分子轨道作用
1晶体场的基本概念
娴熟使用理论工具的前提是我们很清楚这一工具的内涵、适用边界与分析规范，这要求我们须注重理论基础的学习。考虑到有的同学缺乏相关基础，老司机从过渡金属的原子轨道出发，通过经典的八面体配位结构讲解晶体场是怎么来的、能级为何分裂以及如何分裂，然后会采用三个能量来定量比较不同电子排布方式，最后则会介绍电子排布如何影响能级（姜泰勒效应）。这种循序渐进的学法，只要方法得当，完全可以短时间掌握晶体场理论的精华。
老司机经验：科研分析中学会简化，善用业已建立的认识来拓展，是非常值得推荐的一种方法。这种“规范+偏离”的思路会贯穿整个课程，并用多个案例形象展示这一科研方法。
2非周期体系的晶体场分析
晶体场理论一个典型应用场合就是金属配位化合物，其中过渡金属M被多个配体L环绕，此时体系是否稳定与M-L之间的作用密切相关。本节通过群轨道方法，借助轨道对称性介绍M-L之间不同的作用形式，让我们对“配位作用”有更深的认识。更为具体的是，我们会分别阐述M-L之间的σ- 和π-bonding, 而后者更会进一步介绍配体作为电子给体和受体的两种模式。这些学习都是以具体案例为基础，避免生硬、复杂的概念，即便理论薄弱的同学也能理解各类M-L作用。我们的目标是能画出如下M-L轨道作用图。
老司机说明：过渡金属配合物是理解金属-配体轨道作用的理想模型，案例结合实际操作，确保我们真正理解M-L之间的轨道作用，对于我们解析固体、表面、缺陷、吸附等复杂问题尤为重要。
3周期结构的晶体场分析
含有过渡金属M的晶体结构不同于孤立的络合物分子，其电子结构不仅受到周期性影响，同时表面、缺陷、吸附都会使M的晶体场变得复杂，如何简化问题分析是本节的重点。老司机从理想晶体出发，用构造单元来作为分析对象，将晶体场引入到固体电子结构的分析，随后将这种分析思路扩展到表面和表面吸附体系。以CoOOH为例，晶体场分析能形象展示不同表面的活性、表面取向对Co的价态、吸附能的影响，同时能细化到SO2与表面活性位是以什么形式作用的，很好地辨析表面小分子的吸附与活化，从而极大帮助我们解释实验数据。
4.培训相关
01 培训时间
10月30日-10月31日，共2天
02 培训形式
课程+上机，线上培训，提供纸质版教材，课程回放
03 培训费用
1299元/门，包含教材费、培训费、机时费
04 课程地点
腾讯课堂线上直播
5.课程优势
永久答疑
答疑群长期答疑
纸质资料
提供纸质版讲义资料，一次性掌握
全程助教
专业工程师技术人员将在上机期间全程为学员答疑解惑
课程回放
课程视频无限次回放、答疑社群实时答疑；
6.课程报名福利
1) 早鸟立享：前20名报名者，获得计算100元优惠券
2) 团报立享：3人及以上团报，获得计算100元优惠券
3) 捆绑特惠：两门课程（分子轨道理论计算、晶体场理论计算）同时报名，立减598元，直享最低价2000元/人
4)老学员立享：凡在唯理计算购买课程老学员，获得计算200元优惠券
*注：其中1）、2）3）、4）不同享；
扫码添加小崔同学15964531189（微信同），备注：分子轨道
