The potential energy surfaces for the H + H2 exchange reaction are determined, using the standard Becke-3_parameter-Lee-Yang-Parr (B3LYP) hybrid exchange-correlation functional and the recently developed XYG3 type (xDH) doubly hybrid functionals. Quantum dynamical results calculated on these density functional theory surfaces revealed that the accuracy for the surfaces from the xDH functionals is quite satisfactory as compared to the benchmark Boothroyd-Keogh-Martin-Peterson-2 surface, whereas B3LYP is wholly inadequate in describing this simplest reaction despite the fact that it has been widely used to study reactions in complex systems. It is shown that further improvements can be achieved if the xDH functional parameters are fine-tuned to be reaction specific.

1.
X.
Zhang
,
B. J.
Braams
, and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Phys.
124
,
021104
(
2006
).
2.
T.
Albu
,
J.
Espinosa-Garća
, and
D. G.
Truhlar
,
Chem. Rev.
107
,
5101
(
2007
).
3.
R.
Siebert
,
P.
Fleurat-Lessard
,
R.
Schinke
,
M.
Bittererová
, and
S. C.
Farantos
,
J. Chem. Phys.
116
,
9749
(
2002
).
4.
N.
Sathyamurthy
and
L. M.
Raff
,
J. Chem. Phys.
63
,
464
(
1975
).
5.
C.
Xu
,
D.
Xie
,
D. H.
Zhang
,
S. Y.
Lin
, and
H.
Guo
,
J. Chem. Phys.
122
,
244305
(
2005
).
6.
T.
Hollebeek
,
T. S.
Ho
, and
H.
Rabitz
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
50
,
537
(
1999
).
7.
M. J. T.
Jordan
,
K. C.
Thompson
, and
M. A.
Collins
,
J. Chem. Phys.
102
,
5647
(
1995
).
8.
B. J.
Braams
and
J. M.
Bowman
,
Int. Rev. Phys. Chem.
28
,
577
(
2009
).
9.
J. M.
Bowman
,
G.
Czakó
, and
B.
Fu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
8094
(
2011
).
10.
Y.
Guo
,
A.
Kawano
,
D. L.
Thompson
,
A. F.
Wagner
, and
M.
Minkoff
,
J. Chem. Phys.
121
,
5091
(
2004
).
11.
D. F. R.
Brown
,
M. N.
Gibbs
, and
D. C.
Clary
,
J. Chem. Phys.
105
,
7597
(
1996
).
12.
C. M.
Handley
and
P. L. A.
Popelier
,
J. Phys. Chem. A
114
,
3371
(
2010
).
13.
J.
Behler
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
17930
(
2011
).
14.
L. M.
Raff
,
R.
Komanduri
,
M.
Hagan
, and
S. T. S.
Bukkapatnam
,
Neural Networks in Chemical Reaction Dynamics
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
2012
).
15.
B.
Fu
,
X.
Xu
, and
D. H.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
129
,
011103
(
2008
).
16.
X.
Wang
,
W.
Dong
,
M.
Qiu
,
Z.
Ren
,
L.
Che
,
D.
Dai
,
X.
Wang
,
X.
Yang
,
Z.
Sun
,
B.
Fu
,
S. Y.
Lee
,
X.
Xu
, and
D. H.
Zhang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
6227
(
2008
).
17.
Z.
Ren
,
L.
Che
,
M.
Qiu
,
X.
Wang
,
W.
Dong
,
D.
Dai
,
X.
Wang
,
X.
Yang
,
Z.
Sun
,
B.
Fu
,
S. Y.
Lee
,
X.
Xu
, and
D. H.
Zhang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
12662
(
2008
).
18.
W.
Dong
,
C.
Xiao
,
T.
Wang
,
D.
Dai
,
X.
Yang
, and
D. H.
Zhang
,
Science
327
,
1501
(
2010
).
19.
D. D.
Fazio
,
J. M.
Lucas
,
V.
Aquilanti
, and
S.
Cavalli
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
8571
(
2011
).
20.
S. C.
Althorpe
,
F.
Fernandez-Alonso
,
B. D.
Bean
,
J. D.
Ayers
,
A. E.
Pomerantz
,
R. N.
Zare
, and
E.
Wrede
,
Nature
416
,
67
(
2002
).
21.
R. T.
Skodje
,
D.
Skouteris
,
D. E.
Manolopoulos
,
S.-H.
Lee
,
F.
Dong
, and
K.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
1206
(
2000
).
22.
F. J.
Aoiz
,
L.
Bãnares
,
J. F.
Castillo
,
M.
Brouard
,
W.
Denzer
,
C.
Vallance
,
P.
Honvault
,
J.-M.
Launay
,
A. J.
Dobbyn
, and
P. J.
Knowles
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1729
(
2001
).
23.
M. H.
Alexander
,
G.
Capecchi
, and
H. J.
Werner
,
Science
296
,
715
(
2002
).
24.
D. H.
Zhang
,
M. A.
Collins
, and
S.-Y.
Lee
,
Science
290
,
961
(
2000
).
25.
K.
Stark
and
H.-J.
Werner
,
J. Chem. Phys.
104
,
6515
(
1996
).
26.
J.
Chen
,
X.
Xu
,
X.
Xu
, and
D. H.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
138
,
154301
(
2013
).
27.
J.
Chen
,
X.
Xu
,
X.
Xu
, and
D. H.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
138
,
221104
(
2013
).
28.
B.
Jiang
and
H.
Guo
,
J. Chem. Phys.
139
,
054112
(
2013
).
29.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
30.
J. C.
Slater
,
The Self-Consistent Field for Molecular and Solids, Quantum Theory of Molecular and Solids
(
McGraw-Hill
,
New York
,
1974
), Vol.
4
.
31.
S. H.
Vosko
,
L.
Wilk
, and
M.
Nusair
,
Can. J. Phys.
58
,
1200
(
1980
).
32.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
33.
A. D.
Becke
,
Phys. Rev. A
38
,
3098
(
1988
).
34.
C.
Lee
,
W. T.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
35.
R.
Car
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
2471
(
1985
).
37.
D.
Marx
and
J.
Hutter
, “
Ab initio molecular dynamics: Theory and implementation
,” in
Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry
, edited by
J.
Grotendorst
(
John von Neumann Institute for Computing, ForschungszentrumJülich
,
2000
), p.
301
.
38.
A. J.
Cohen
,
P.
Mori-Sánchez
, and
W.
Yang
,
Chem. Rev.
112
,
289
(
2012
).
39.
I. Y.
Zhang
,
J. M.
Wu
, and
X.
Xu
,
Chem. Commun.
46
,
3057
(
2010
).
40.
I. Y.
Zhang
and
X.
Xu
,
Int. Rev. Phys. Chem.
30
,
115
(
2011
).
41.
J. M.
Wu
and
X.
Xu
,
J. Chem. Phys.
129
,
164103
(
2008
).
42.
J. M.
Wu
,
I. Y.
Zhang
, and
X.
Xu
,
ChemPhysChem
11
,
2561
(
2010
).
43.
I. Y.
Zhang
,
J. M.
Wu
,
Y.
Luo
, and
X.
Xu
,
J. Chem. Theory Comput.
6
,
1462
(
2010
).
44.
I. Y.
Zhang
,
J. M.
Wu
,
Y.
Luo
, and
X.
Xu
,
J. Comput. Chem.
32
,
1824
(
2011
).
45.
I. Y.
Zhang
and
X.
Xu
,
ChemPhysChem
13
,
1486
(
2012
).
46.
Y.
Zhang
,
X.
Xu
, and
W. A.
Goddard
III
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
4963
(
2009
).
47.
Y.
Zhao
and
D. G.
Truhlar
,
Theor. Chem. Acc.
120
,
215
(
2008
).
48.
P. J.
Stephens
,
F. J.
Devlin
,
C. F.
Chabalowski
, and
M. J.
Frisch
,
J. Phys. Chem.
98
,
11623
(
1994
).
49.
A. I.
Boothroyd
,
W. J.
Keogh
,
P. G.
Martin
, and
M. R.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
104
,
7139
(
1996
).
50.
D. C.
Langreth
and
J. P.
Perdew
,
Solid State Commun.
17
,
1425
(
1975
).
51.
O.
Gunnarson
and
B. I.
Lundqvist
,
Phys. Rev. B
13
,
4274
(
1976
).
52.
L. A.
Curtiss
,
K.
Raghavachari
,
P. C.
Redfern
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
106
,
1063
(
1997
).
53.
A.
Görling
and
M.
Levy
,
Phys. Rev. B
47
,
13105
(
1993
).
54.
A.
Görling
and
M.
Levy
,
Phys. Rev. A
50
,
196
(
1994
).
55.
Y.
Zhao
,
B. J.
Lynch
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. A
108
,
4786
(
2004
).
56.
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
124
,
034108
(
2006
).
57.
I. Y.
Zhang
,
X.
Xu
,
Y.
Jung
, and
W. A.
Goddard
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
19896
(
2011
).
58.
I. Y.
Zhang
,
N. Q.
Su
,
E.
Brémond
,
C.
Adamo
, and
X.
Xu
,
J. Chem. Phys.
136
,
174103
(
2012
).
59.
I. Y.
Zhang
,
Y.
Luo
, and
X.
Xu
,
J. Chem. Phys.
133
,
104105
(
2010
).
60.
I. Y.
Zhang
,
Y.
Luo
, and
X.
Xu
,
J. Chem. Phys.
132
,
194105
(
2010
).
61.
N. Q.
Su
and
X.
Xu
,
J. Chem. Phys.
140
,
18A512
(
2014
).
62.
I. Y.
Zhang
and
X.
Xu
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
1669
(
2013
).
63.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
).
64.
M.
Ernzerhof
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
110
,
5029
(
1999
).
65.
L. A.
Curtiss
,
K.
Raghavachari
,
P. C.
Redfern
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
112
,
7374
(
2000
).
66.
B.
Liu
,
J. Chem. Phys.
58
,
1925
(
1973
).
67.
P.
Siegbahn
and
B.
Liu
,
J. Chem. Phys.
68
,
2457
(
1978
).
68.
D. G.
Truhlar
and
C. J.
Horowitz
,
J. Chem. Phys.
68
,
2466
(
1978
).
69.
D. G.
Truhlar
and
C. J.
Horowitz
,
J. Chem. Phys.
71
,
1514
(
1979
).
70.
A. J. C.
Varandas
,
F. B.
Brown
,
C. A.
Mead
,
D. G.
Truhlar
, and
N. C.
Blais
,
J. Chem. Phys.
86
,
6258
(
1987
).
71.
A. I.
Boothroyd
,
W. J.
Keogh
,
P. G.
Martin
, and
M. R.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
95
,
4343
(
1991
).
72.
S. L.
Mielke
,
B. C.
Garrett
, and
K. A.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
116
,
4142
(
2002
).
73.
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
90
,
1007
(
1989
).
74.
R. A.
Kendall
,
T. H.
Dunning
, Jr.
, and
R. J.
Harrison
,
J. Chem. Phys.
96
,
6796
(
1992
).
75.
D. E.
Woon
and
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
103
,
4572
(
1995
).
76.
M.
Valiev
,
E. J.
Bylaska
,
N.
Govind
,
K.
Kowalski
,
T. P.
Straatsma
,
H. J. J.
van Dam
,
D.
Wang
,
J.
Nieplocha
,
E.
Apra
,
T. L.
Windus
, and
W. A.
de Jong
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
1477
(
2010
).
77.
K.
Hornik
,
M.
Stinchcombe
, and
H.
White
,
Neural Networks
2
,
359
(
1989
).
78.
T. B.
Blank
,
S. D.
Brown
,
A. W.
Calhoun
, and
D. J.
Doren
,
J. Chem. Phys.
103
,
4129
(
1995
).
79.
L. M.
Raff
,
M.
Malshe
,
M.
Hagan
,
D. I.
Doughan
,
M. G.
Rockley
, and
R.
Komanduri
,
J. Chem. Phys.
122
,
084104
(
2005
).
80.
S.
Manzhos
,
X.
Wang
,
R.
Dawes
, and
T.
Carrington
, Jr.
,
J. Phys. Chem. A
110
,
5295
(
2006
).
81.
J.
Behler
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
146401
(
2007
).
82.
M. G.
Darley
,
C. M.
Handley
, and
P. L. A.
Popelier
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
1435
(
2008
).
83.
G. C.
Schatz
and
A.
Kuppermann
,
J. Chem. Phys.
59
,
964
(
1973
).
84.
H. W.
Jang
and
J. C.
Light
,
Chem. Phys. Lett.
242
,
62
(
1995
).
85.
Y.
Huang
,
S. S.
Iyengar
,
D. J.
Kouri
, and
D. K.
Hoffman
,
J. Chem. Phys.
105
,
927
(
1996
).
86.
S. K.
Gray
and
G. G.
Balint-Kurti
,
J. Chem. Phys.
108
,
950
(
1998
).
87.
S.
Li
,
G.
Li
, and
H.
Guo
,
J. Chem. Phys.
115
,
9637
(
2001
).
88.
D. M.
Grant
,
P. J.
Wilson
,
D. J.
Tozer
, and
S. C.
Althorpe
,
Chem. Phys. Lett.
375
,
162
(
2003
).
89.
M. N.
Guimarães
and
F. V.
Prudente
,
Eur. Phys. J. D
64
,
287
(
2011
).
90.
D. H.
Zhang
and
J. Z. H.
Zhang
,
J. Chem. Phys.
101
,
3671
(
1994
).
91.
F. A.
Hamprecht
,
A. J.
Cohen
,
D. J.
Tozer
, and
N. C.
Handy
,
J. Chem. Phys.
109
,
6264
(
1998
).
92.
P. J.
Wilson
,
T. J.
Bradley
, and
D. J.
Tozer
,
J. Chem. Phys.
115
,
9233
(
2001
).
93.
C.-R.
Wang
and
D. H.
Zhang
,
Chin. J. Chem. Phys.
25
,
186
(
2012
).
94.
Y.-Y.
Chuang
,
M. L.
Radhakrishnan
,
P. L.
Fast
,
C. J.
Cramer
, and
D. G.
Truhlar
,
J. Phys. Chem. A
103
,
4893
(
1999
).
95.
C.
Díaz
,
E.
Pijper
,
R. A.
Olsen
,
H. F.
Busnengo
,
D. J.
Auerbach
, and
G. J.
Kroes
,
Science
326
,
832
(
2009
).
96.
M.
Wijzenbroek
and
G. J.
Kroes
,
J. Chem. Phys.
140
,
084702
(
2014
).
97.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4913196 for Figs. S1–S4.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.