We describe the work of the European project QUASI (Quantum Simulation in Industry, project EP25047) which has sought to develop a flexible QM/MM scheme and to apply it to a range of industrial problems. A number of QM/MM approaches were implemented within the computational chemistry scripting system, ChemShell, which provides the framework for deploying a variety of independent program packages. This software was applied in several large-scale QM/MM studies which addressed the catalytic decomposition of N2O by Cu-containing zeolites, the methanol synthesis reaction catalysed by Cu clusters supported on ZnO surfaces, and the modelling of enzyme structure and reactivity.

ChemShell is a modular computational chemistry package with a particular focus on hybrid quantum mechanical/molecular mechanical ( QM / MM ) simulations. A core set of chemical data handling modules and scripted interfaces to a large number of quantum chemistry and molecular modeling packages underpin a flexible QM / MM scheme. ChemShell has been used in the study of small molecules, molecular crystals, biological macromolecules such as enzymes, framework materials including zeolites, ionic solids, and surfaces. We outline the range of QM / MM coupling schemes and supporting functions for system setup, geometry optimization, and transition‐state location (including those from the open‐source DL ‐ FIND optimization library). We discuss recently implemented features allowing a more efficient treatment of long range electrostatic interactions, X ‐ray based quantum refinement of crystal structures, free energy methods, and excited‐state calculations. ChemShell has been ported to a range of parallel computers and we describe a number of options including parallel execution based on the message‐passing capabilities of the interfaced packages and task‐farming for applications in which a number of individual QM , MM , or QM / MM calculations can performed simultaneously. We exemplify each of the features by brief reference to published applications. This article is categorized under: Software > Quantum Chemistry Software > Molecular Modeling

The wide-gap material aluminium nitride (AlN) is gaining increasing attention for its applications in optoelectronics, energy, and quantum computing, making the investigation of its defect properties crucial for effective use...

Selective catalytic reduction with ammonia (NH3-SCR) is a widely used deNOx process, employing zeolitic catalysts. Here, we examine framework substituted and extra-framework exchanged transition metal zeolite catalysts, in the extensively studied Fe – zeolite Beta focusing on the influence of the transition metal cation on the NH3-SCR reaction, and aiming to unravel the underlying mechanisms and their impact on catalytic performance. We use hybrid multiscale density functional theory (DFT)/molecular mechanics to investigate the NH3-SCR at various Fe-BEA active sites including systems with both framework and extra-framework Fe cations. The catalytically active sites under investigation include Fe-FeF-BEA, Fe-AlF-BEA, and Cu-FeF-BEA, (where the subscript F indicates framework species) on which the formation and consumption of key intermediates of both oxidation and reduction half cycles species are analysed. We show the distinctive ability of framework Fe sites to promote the formation of key nitrate and nitrosamine intermediates. Furthermore, we find a strong binding affinity of NH3 with framework Fe systems including Cu(II)-FeF-BEA, Fe(III)-FeF-BEA, and H-FeF-BEA compared to framework Al systems (Fe(III)-AlF-BEA). We explore the reduction potential of the framework Fe3+/Fe2+ in BEA zeolite and establish its feasibility in the presence of a Brønsted acid site. Our calculations clearly predict the bimetallic Cu-FeF system to be the best catalyst which supports a recent experimental report by Yue et al. (Chem. Eng. J. 2020, 398, 125515) for a related FeCu-SSZ-13 (CHA) zeolite. We provide a new understanding of the reactivity of Fe-BEA zeolites, suggesting the advantages of framework Fe over Al sites in NH3-SCR reactions, and establishing a foundation for interpretation of the rôle of framework cations in metal-exchanged zeolites.

The absolute band edge positions and work function (Φ) are the key electronic properties of metal oxides that determine their performance in electronic devices and photocatalysis. However, experimental measurements of these properties often show notable variations, and the mechanisms underlying these discrepancies remain inadequately understood. In this work, we focus on ceria (CeO