模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法及其应用技术

本发明专利技术属于表面催化反应技术领域，涉及模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法及其应用。本发明专利技术的方法，包括：(a)分析目标表面催化反应，建立微动力学基元反应框架；(b)对建立的每个基元反应求解反应能垒和反应焓；(c)建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括①吸附物吸附能的自我影响和相互影响与表面覆盖度的相互关联和②反应能垒与表面覆盖度的相互影响的相互关联，在建立相互关联过程中，对吸附能、范德华力和分子自由影响等进行矫正；(d)建立自洽的包含表面覆盖度影响的微动力学模型，求解得到催化剂活性模拟/预测结果。本发明专利技术大大提高了微动力学模型的精度，实现对催化剂活性高效、准确地预测。

【技术实现步骤摘要】
模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法及其应用
本专利技术属于表面催化反应
，具体而言，涉及一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法及其应用。
技术介绍
工业催化的主要目的是选择合适的催化材料和反应条件以得到活性高、选择性好的催化剂。微动力学分析是根据催化表面的基本化学反应、反应间相互关系以及催化反应和表面间的相互关系所进行的催化反应的分析。目前，作为模拟及预测催化剂活性的重要手段，微动力学模型(micro－kineticmodelling)已经被广泛应用于表面催化领域。随着全微动力学模型(fullmicro－kineticmodelling)的发展，该计算方案可以有效结合基于密度泛函理论的能量计算的结果，对复杂的表面催化过程在实际条件下(不同温度，压强，转化率等)的反应活性进行预测，从而从动力学角度(kinetics)了解催化反应的选择性以及反应机理。该方法不仅可以为实验结果提供理论支持，还能对催化剂材料设计给与合理的方向性指导，为解决当代能源、环境等热门问题提供了一条坚实可靠的途径。现有的微动力学模型(micro－kineticmodelling)或全微动力学模型(fullmicro－kineticmodelling)一般通过由密度泛函理论计算的能量来预测催化剂活性。其中的关键在于，用于微动力学模型中最重要的参数(吸附能和反应能垒)，与微动力学计算结果(表面覆盖度)是互相关联的。而这种关联对反应活性预测的准确度有着决定性的影响。在之前的科研结果中，由于对这种关联的忽视，使得基于微动力学模型预测的催化剂反应活性与实际结果有着较大的差距。因此，由传统微动力学模型所指导的催化材料往往并不尽如人意。同时，一些简陋的补足方案虽然可以矫正部分预测的结果，让理论计算的结果在一定程度上解释实验结果，但要做到指导催化剂设计还有很大的差距。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，该方法通过建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括自我影响和相互影响的相互关联，弥补原有微动力学模型在吸附物相互关联考量上的缺失，大大提高了微动力学模型的精度；同时，通过关联自洽的方法，避免了表面覆盖度影响的微动力学模型本身一步求解稳定性的问题，降低了求解难度，从而达到高效的催化活性预测。本专利技术的第二目的在于提供一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法的应用，该方法能够实现对催化剂活性高效、准确的预测，因而能够应用在模拟催化反应过程中。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，所述方法包括：(a)分析目标表面催化反应，建立微动力学基元反应框架；(b)对建立的每个基元反应求解反应能垒和反应焓；(c)建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括吸附物吸附能的自我影响和相互影响与表面覆盖度的相互关联以及反应能垒与表面覆盖度的相互影响的相互关联，并且在建立相互关联过程中，对由于表面覆盖度引起的吸附能变化、范德华力影响和分子自由影响进行矫正；(d)建立自洽的包含表面覆盖度影响的微动力学模型，求解得到催化剂活性模拟/预测结果。作为进一步优选技术方案，步骤(b)中，利用密度泛函理论计算，进行微动力学初步求解，求得目标反应在不考虑表面覆盖度影响下的反应能量变化；通过初步求解的结果判定建立的基元反应框架是否合理；然后，利用密度泛函理论计算求解每个基元反应的反应能垒和反应焓以及反应吉布斯自由能。作为进一步优选技术方案，步骤(c)中，基于吸附能和反应能垒对于不同吸附物在不同表面覆盖度下的能量影响，建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，优选以线性拟合的方式建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的解析关系；优选地，按覆盖度的影响由小到大划分多个覆盖度区域，在各个覆盖度区域内分别以线性拟合的方式建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的解析关系。作为进一步优选技术方案，吸附能与表面覆盖度自我影响的相互关联的建立包括：在不同的表面覆盖度条件下，通过密度泛函理论计算求解得到不同的微分吸附能，在表面覆盖度影响由小到大的过程中，建立吸附能与表面覆盖度的线性解析关系。作为进一步优选技术方案，吸附能及反应能垒与表面覆盖度相互影响的相互关联的建立包括：在不同的表面覆盖度条件下，通过密度泛函理论计算求解得到不同的微分吸附能及反应能垒，在表面覆盖度影响由小到大的过程中，建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的线性解析关系。作为进一步优选技术方案，在建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联过程中，对关键吸附物的实际吸附能通过查询实验测量值进行矫正；和/或，在建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联过程中，通过量子计算对范德华力进行矫正；和/或，在建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联过程中，通过查询实验测量值或使用高精度密度泛函理论计算对气相分子绝对自由能进行矫正。作为进一步优选技术方案，步骤(d)中，建立自洽的包含表面覆盖度影响的微动力学模型包括：根据步骤(b)的计算结果，设定初始表面覆盖度数据；通过步骤(c)建立的相互关联模型，解析求解在特定表面覆盖度下的基元反应能量；求解微动力学模型方程，得到新的表面覆盖度数据；若新的表面覆盖度数据与设定的初始表面覆盖度数据误差小于给定值，则输出结果，否则自动重新调整初始表面覆盖度数据，重复进行求解，直至误差达到收敛标准。作为进一步优选技术方案，所述的调整方法采用的是逐次递进方法，在迭代中将本次迭代中设定的表面覆盖度参数，向微动力学求解结果表面覆盖度值的方向递进1％～20％，优选为递进5％～15％，进一步优选为递进10％。作为进一步优选技术方案，该方法包括：(a)分析目标表面催化反应，建立微动力学基元反应框架；(b)利用密度泛函理论计算，对建立的每个基元反应求解反应能垒和反应焓以及反应吉布斯自由能；(c)基于吸附能、反应能垒对于不同吸附物在不同表面覆盖度下的能量影响，建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括吸附物吸附能的自我影响和相互影响与表面覆盖度的相互关联以及反应能垒与表面覆盖度的相互影响的相互关联，并且在建立相互关联过程中，对由于表面覆盖度引起的吸附能变化、范德华力影响和分子自由影响进行矫正；优选以线性拟合的方式建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的解析关系；(d)计算机根据步骤(b)的计算结果，自动设定初始表面覆盖度数据；(e)通过步骤(c)建立的相互关联模型，解析求解在特定表面覆盖度下的基元反应能量；(f)求解微动力学模型方程，得到新的表面覆盖度和反应速率结果；(g)对比表面覆盖度结果，若新的表面覆盖度数据与设定的初始表面覆盖度数据误差小于给定值，则输出结果，否则自动重新调整初始表面覆盖度数据，重复步骤(e)－(f)，直至误差达到收敛标准，输出反应速率、表面覆盖度结果。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供一种上述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法在模拟催化反应过程中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括自我影响和相互影响的相互关联，弥补原有微动力学模型在吸附物相互关联考量上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，所述方法包括：(a)分析目标表面催化反应，建立微动力学基元反应框架；(b)对建立的每个基元反应求解反应能垒和反应焓；(c)建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括吸附物吸附能的自我影响和相互影响与表面覆盖度的相互关联以及反应能垒与表面覆盖度的相互影响的相互关联，并且在建立相互关联过程中，对由于表面覆盖度引起的吸附能变化、范德华力影响和分子自由影响进行矫正；(d)建立自洽的包含表面覆盖度影响的微动力学模型，求解得到催化剂活性模拟/预测结果。

【技术特征摘要】
1.一种模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，所述方法包括：(a)分析目标表面催化反应，建立微动力学基元反应框架；(b)对建立的每个基元反应求解反应能垒和反应焓；(c)建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，包括吸附物吸附能的自我影响和相互影响与表面覆盖度的相互关联以及反应能垒与表面覆盖度的相互影响的相互关联，并且在建立相互关联过程中，对由于表面覆盖度引起的吸附能变化、范德华力影响和分子自由影响进行矫正；(d)建立自洽的包含表面覆盖度影响的微动力学模型，求解得到催化剂活性模拟/预测结果。2.根据权利要求1所述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，步骤(b)中，利用密度泛函理论计算，进行微动力学初步求解，求得目标反应在不考虑表面覆盖度影响下的反应能量变化；通过初步求解的结果判定建立的基元反应框架是否合理；然后，利用密度泛函理论计算求解每个基元反应的反应能垒和反应焓以及反应吉布斯自由能。3.根据权利要求1所述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，步骤(c)中，基于吸附能和反应能垒对于不同吸附物在不同表面覆盖度下的能量影响，建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联，优选以线性拟合的方式建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的解析关系；优选地，按覆盖度的影响由小到大划分多个覆盖度区域，在各个覆盖度区域内分别以线性拟合的方式建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的解析关系。4.根据权利要求3所述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，吸附能与表面覆盖度自我影响的相互关联的建立包括：在不同的表面覆盖度条件下，通过密度泛函理论计算求解得到不同的微分吸附能，在表面覆盖度影响由小到大的过程中，建立吸附能与表面覆盖度的线性解析关系。5.根据权利要求3所述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，吸附能及反应能垒与表面覆盖度相互影响的相互关联的建立包括：在不同的表面覆盖度条件下，通过密度泛函理论计算求解得到不同的微分吸附能及反应能垒，在表面覆盖度影响由小到大的过程中，建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的线性解析关系。6.根据权利要求1所述的模拟/预测表面催化反应中催化剂催化活性的方法，其特征在于，在建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相互关联过程中，对关键吸附物的实际吸附能通过查询实验测量值进行矫正；和/或，在建立吸附能及反应能垒与表面覆盖度的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辰曦，胡培君，姚子豪，高雷，
申请(专利权)人：胡培君，
类型：发明
国别省市：英国,GB