[发明专利]一种确定表面催化反应路径的方法

摘要

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：首先构建催化材料表面结构模型和反应物分子结构模型，然后构建反应物在催化材料表面吸附结构模型，选择最稳定吸附结构模型作为下一步反应的初态结构；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，选择最稳定吸附结构模型作为该基元反应的末态；以确定的初态结构和末态结构构建所有基元反应轨迹文件，利用MS软件Castep模块中的TSSearch功能对该轨迹文件进行过渡态计算，以确定的中间体依次重复上述步骤，逐步构建整个基元反应网络，直到得到最终产物，从而得到完整的表面催化反应路径。本发明方法计算迅速，操作简单，克服了实验仪器分析确定反应路径中人为推断的弊端。

主权项

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；（5）构建反应物所有基元反应过程，确定其相应的基元反应过渡态，以步骤（3）确定的初态结构和步骤（4）确定的末态结构，利用软件的Reaction Preview程序进行原子match，当所有原子匹配完成后进行反应preview，得到基元反应轨迹文件，利用MS软件Castep模块中Calculation功能下的TS Search程序对该轨迹文件进行过渡态计算，找到基元反应过渡态结构并得到相应的能量E_T，由每个基元反应过渡态结构对应的能量计算基元反应能垒∆E₊，选取能垒最小的基元反应产物作为下一步反应的反应物，如果有两个或两个以上基元反应能垒接近，则通过基元反应末态能量与过渡态能量计算逆向反应能垒∆E_‑进行比较，选择逆向反应能垒高的基元反应末态作为下一步反应的反应物；（6）构建整个基元反应网络，确定催化反应路径，以步骤（5）确定的中间体依次重复步骤（3）、（4）和（5），逐步构建整个基元反应网络，直到得到反应最终产物，从而得到完整的表面催化反应路径。