[发明专利]一种确定表面催化反应路径的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定表面催化反应路径的方法，特别是涉及一种利用计算机模拟技术对表面催化反应进行微观动力学模拟和计算确定表面催化反应路径的方法。

背景技术

催化作用是现代世界最重要的技术之一，特别是多相催化反应过程一直以来都是化学化工过程的基础。不同的催化剂对特定的反应体系具有选择性，因此有必要确定不同催化反应体系的反应机理和反应路径，以便于更好的设计催化反应过程及催化剂。世界各地的科学家们多年来想尽各种办法，在多种分析仪器上试图原位研究多相催化反应，但由于多相催化反应过程的复杂性，人们也只是在某些方面了解到了一些多相催化反应过程的细节。多相催化反应通常基于程序升温脱附、程序升温还原等实验方法以及高分辨率电子能损失谱、质谱、俄歇、核磁共振谱等表面分析技术得到催化剂结构信息，反应中间物种的检测进而推断反应机理和反应路径，已有不少实例证明可以解决一些这方面的问题。但是实验仪器分析方法需要经过繁琐的实验过程，同时仪器分析方法是通过测定表面信息来人为推测表面物种进而得到反应路径，但该物种是表面催化反应的中间体还是分支反应产物无法确定，这样就导致推测得到的反应路径具有很大的不准确性。另外，如果某一中间体在表面的反应速度很快，那么其在表面的停留时间极短，检测仪器根本无法实施检测。因此，由于表面催化反应自身的复杂性和仪器设备的限制，单通过实验仪器分析方法要确定表面催化反应路径，工作量和难度都很大，甚至是不可能进行。此外，实验方法繁琐、费时、费力，造成人力财力的巨大消耗。

量子力学是20世纪最重要的科学发现之一。在量子力学基础上发展起来的量子化学计算，为我们开辟了通向微观世界的又一个途径。量子化学是物理化学中应用量子力学基本原理和方法在原子层面讨论化学过程的分支学科。基于量子化学计算的模拟软件已成功地应用于化学科学的研究领域。目前量子化学计算对表面催化反应通常都基于实验分析提出的路径进行微观机理研究。为此，本发明提出用量子化学方法通过基元反应动力学计算确定表面催化反应路径的方法。

发明内容

针对现有技术中研究表面催化反应路径基于实验检测分析推断的技术缺陷，本发明提供一种利用计算机模拟确定表面催化反应路径的方法。

本发明提供一种确定表面催化反应路径的方法，包括如下步骤：

（1）构建催化材料表面结构模型，基于晶体结构数据库，选择催化材料晶体的晶胞结构，或者根据已有的催化材料晶体结构数据利用MS软件的Visualizer模块构建催化材料的晶胞结构并对其能量最小化处理，然后以选择或处理后的催化材料的晶胞结构构建周期晶面结构或团簇晶体结构模型，用所构建的周期晶面结构或团簇晶体结构模型模拟催化材料表面结构，并对构建的催化材料表面结构模型进行能量最小化处理，记录相应的能量E_M；

（2）构建反应物分子结构模型，根据反应物的化学分子式，采用MS软件的Visualizer模块构建反应物分子结构模型，然后利用Castep模块Calculation功能下的Geometry Optimization程序对其进行能量最小化处理，相应的能量记录为E_R；

（3）构建反应物在催化材料模型表面吸附结构模型，利用MS软件Visualizer模块构建反应物在催化剂模型表面所有的吸附结构模型，采用Castep模块的Geometry Optimization程序对所有吸附结构模型进行能量最小化处理，选择出能量最小的吸附结构模型，对应的能量为E_I，通过计算该吸附过程的吸附能E_a，E_a= E_M + E_R – E_I，选择吸附能最大，即最稳定吸附结构模型，并将该吸附结构模型作为下一步反应过程计算的初态结构；

（4）构建反应物所有基元反应末态吸附结构模型，利用MS软件Visualizer模块构建反应物涉及到所有键的断裂和生成的基元反应末态吸附结构模型，并采用Castep模块的Geometry Optimization程序对每一个基元反应末态的所有吸附结构模型进行能量最小化处理，选择能量最低，即最稳定吸附结构模型，作为该基元反应的末态，相应能量记为E_P；