Multi-Lattice Approach to Kinetic Monte Carlo...Multi-lattice kinetic Monte Carlo actually works...

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Fakultät für Chemie Technische Universität München

Multi-Lattice Approachto Kinetic Monte Carlo

Max J. Hoffmann

Fritz-Haber Institut der Max-Planck-Gesellschaft

TU München

Jan 25, 2011

1

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Outline

introduction to DFT+kMC approach for heterogeneous catalysis

multi-lattice kMC for CO oxidation on PdO(√5×√5)R27/Pd(100)1

1master thesis www.fhi-berlin.mpg.de/th/publications/Hoffmann_diploma.pdf2

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Motivation

prediction of (model) catalysts performance from first principles

development of multi-scale methods

3

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Motivation

prediction of (model) catalysts performance from first principles

development of multi-scale methods

3

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Motivation

prediction of (model) catalysts performance from first principles

development of multi-scale methods

3

Fakultät für Chemie Technische Universität München

CO+ 12O2 → CO2@RuO2(110)

2

2Reuter et al (2005) in Handbook of Materials Modelling, Springerhttp://www.fhi-berlin.mpg.de/th/publications/handbook_reprint.pdf

4

Fakultät für Chemie Technische Universität München

CO+ 12O2 → CO2@RuO2(110)

2

2Reuter et al (2005) in Handbook of Materials Modelling, Springerhttp://www.fhi-berlin.mpg.de/th/publications/handbook_reprint.pdf

4

Fakultät für Chemie Technische Universität München

CO+ 12O2 → CO2@RuO2(110)

2

2Reuter et al (2005) in Handbook of Materials Modelling, Springerhttp://www.fhi-berlin.mpg.de/th/publications/handbook_reprint.pdf

4

Fakultät für Chemie Technische Universität München

CO+ 12O2 → CO2@RuO2(110)

2

2Reuter et al (2005) in Handbook of Materials Modelling, Springerhttp://www.fhi-berlin.mpg.de/th/publications/handbook_reprint.pdf

4

Fakultät für Chemie Technische Universität München

What is kMC?

kinetic Monte Carlo ( = dynamic Monte Carlo (DMC),Bortz-Kalos-Lebowitz (BKL-Method)3, n-fold way, Gillespie4) all referto the same basic idea

generate state-to-state trajectory from initial configuration, catalog ofelementary steps, and rate constants.

pi =∑

i kijpj − kjipi

kij : transition probability i→ j

Transition State Theory

kij =kBT

he−∆G/kBT

3BKL (1975), J Comput Phys 17, 104Gillespie (1976), J Comput Phys 22, 403

5

Fakultät für Chemie Technische Universität München

What is kMC?

kinetic Monte Carlo ( = dynamic Monte Carlo (DMC),Bortz-Kalos-Lebowitz (BKL-Method)3, n-fold way, Gillespie4) all referto the same basic ideagenerate state-to-state trajectory from initial configuration, catalog ofelementary steps, and rate constants.

pi =∑

i kijpj − kjipi

kij : transition probability i→ j

Transition State Theory

kij =kBT

he−∆G/kBT

3BKL (1975), J Comput Phys 17, 104Gillespie (1976), J Comput Phys 22, 403

5

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More formally5

pick next process based on random number,weighted by rate constant

increase time by

t→ t− ln(u2)

ktotu2 ∈ (0, 1]

5Fichthorn, Weinberg, (1991), J Chem Phys 95, 10906

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Consider PdO/Pd(100)

non-trivial surface reconstruction under reactive conditions6

6Rogal et al (2007), PRL 98, 0461017

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Consider PdO/Pd(100)

non-trivial surface reconstruction under reactive conditions 6

6Lundgren (2006), J Phys Cond Matter 30, R4817

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Consider PdO/Pd(100)

non-trivial but commensurable 6

6Todorova et al (2003), Surf Sci 541, 1017

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Considerations for Multi-Lattice kMC

lattices need to be pairwisecommensurable (!)

integer coordinates desirable

support periodic boundaryconditions

8

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Considerations for Multi-Lattice kMC

lattices need to be pairwisecommensurable

integer coordinates desirable

support periodic boundaryconditions

8

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Considerations for Multi-Lattice kMC

lattices need to be pairwisecommensurable

integer coordinates desirable

support periodic boundaryconditions

8

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Considerations for Multi-Lattice kMC

lattices need to be pairwisecommensurable

integer coordinates desirable

support periodic boundaryconditions

↪→mapping approach

only some sites are active

describe processes in convenient coordinates

8

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Reconstruction mechanism

geometrical considerations

surface slab geometryoptimizations

DFT, VASP, PW-91, J. Jelic

9

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Reconstruction mechanism

geometrical considerations surface slab geometryoptimizations

DFT, VASP, PW-91, J. Jelic

9

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Remove one oxygen atom

↪→no significant change10

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Remove two oxygen atoms

structural changes occur

Surface Pd: Oxygen:

Pd(100) hollow: Pd(100) bridge:

Palladium atoms move tosubstrate hollow positions

11

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Reconstruction rule

map reconstruction back to discrete positions

12

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Refined oxide stability boundary7

7Rogal et al (2008), PRB 77, 15541013

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Refined oxide stability boundary7

7Rogal et al (2008), PRB 77, 15541013

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Refined oxide stability boundary7

Present statususes only guessed rates constants for new processes notconsidered in the preceding 1p-kMC from Rogal et al.considers only the onset of oxide destruction

7Rogal et al (2008), PRB 77, 15541013

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Summary

DFT+kMC important tool to predict model catalyst behaviorMulti-lattice kinetic Monte Carlo actually worksPalladium surface oxide under reactive conditions

Outlookvalidation of assumed deconstruction mechanism throughfirst-principles calculationsdetailed modelling beyond the deconstruction onsetultimately: fully first-principles based kMC simulation ofsustained catalytic activity with full capability of oxideformation/reduction

Thank you for your attention

Technische Universität München

14

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Summary

DFT+kMC important tool to predict model catalyst behaviorMulti-lattice kinetic Monte Carlo actually worksPalladium surface oxide under reactive conditions

Outlookvalidation of assumed deconstruction mechanism throughfirst-principles calculationsdetailed modelling beyond the deconstruction onsetultimately: fully first-principles based kMC simulation ofsustained catalytic activity with full capability of oxideformation/reduction

Thank you for your attention

Technische Universität München

14

Fakultät für Chemie Technische Universität München

Summary

DFT+kMC important tool to predict model catalyst behaviorMulti-lattice kinetic Monte Carlo actually worksPalladium surface oxide under reactive conditions

Outlookvalidation of assumed deconstruction mechanism throughfirst-principles calculationsdetailed modelling beyond the deconstruction onsetultimately: fully first-principles based kMC simulation ofsustained catalytic activity with full capability of oxideformation/reduction

Thank you for your attention

Technische Universität München14

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Transition State Theory

flux-over-population

kTST =´ drdp p

m δ(r−rc)Θ(p)e−βH´ drdpe−βH

harmonic approximation

kTST = (βh)−1 e−β∆G

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KMOS GUI8

8http://mhoffman.github.com/kmos16

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kMC modularization

divide program parts based on degree of reusability

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Oxide patching rule

reversing the initial oxide destruction

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