分子模拟在环境研究领域应用反应机理催化剂设计及气体分离

2013年材料科学模拟2013年材料科学模拟技术系列网络讲环境研究领域的应——反应机理、催化剂设计及气体分创腾科技有限公内容1内容1、背景和方2及样3、重副标题样4、气体分离研背多亿吨背多亿吨亿人口万公顷森林多种全年有万种多万吨环境问题已是人类社会为了生存和持续发展必须解决的问单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样水体污染主要/有毒物（属）机有毒物（多环芳烃有机氯农药等）造成的污染重金属离子及有机物分解很重要单击此处编辑母版副标题样材料模拟技1.材料模拟技1.电子结构计算：DFT-密度泛函理论方--电子的交换-相关势处理--平面波+赝势；数值轨道理论；QM/MM杂化理母版标题样--ASTEP、mol3、Q2.分子动力--动处编辑母版副标题样--Plus、GULP、COMPASS、是领先的固态DFT程使用平面波是领先的固态DFT程使用平面波赝由Cambridge大学每年发表的数百篇论其研究领域包括Payne教授发晶体材料结构优化及性质研究（半导体、瓷、金属、分子筛等样表面和表面重构的性质、表面化电子结构（能带、态密度、声子谱、电荷密度、差分电荷密度及轨道波函分析等晶体光学性点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶体晶界、位错磁性材料研单击此处编辑母版副标题样材料力学性质研材料逸出功及电离能计STM图像模红外/拉曼光谱模拟；声子谱和声子态密度；EELS谱图反应过渡态计动力学方法研究扩散路MS－第一MS－第一个商业化DFT程使用高效、紧凑的数值轨道基能够处理周期性和非周期性结研究单击此处编辑母版标题电子结构的解反应过渡态，中间态的搜索，优基于全部或部分Hessian矩阵的振动频率计Mulliken，Hishfeld及ESP荷分析，Fukui函数的计紫外光谱计算及非线性光学性晶体/固态性••••••••••••弹性晶体/固态性••••••••••••弹性常声子频分子动力NVE、NVT和NPT系允许使用壳层模型拟合与编辑力•拟合时同时对壳层位置和半径的驰弛豫拟合—与位移而不是梯度相匹配，这振动模式的非分析修声子态密零点振动••意味着弛豫结构的性质也被拟同时与多个结击此处编辑母可改变电样•••熵•••••••电电场梯Born有效电频率依赖的介电常数张Plus是先进的分子力Plus是先进的分子力学和分子动力学模拟程支持多种分子力对各种体系均适随着计算机软硬件的发展，近年来备受重其研究领域包括计算函数，取函数曲线版标题测量距离、角度和旋转半径的分给出特定成分的浓度曲绘制温度、压力、体积、应力以及单胞参给出分子力分项量材料力学性质研计算偶极相关函大量分子体系的内聚能密度和溶解性参对于估算自扩散系数的均方位移和速度相关函在学习表中观察并绘制轨迹数按任意性质排序，如，按能量排序，找到最能量构Sorption模拟吸附Sorption模拟吸附物在吸附剂上的吸附情使用GrandCanonicalMonteCarlo(GCMC)支持多种分子力适用于周期性结主要适用于分子在多孔材料中的吸附研在催化和分离领域具有重要意单击此处编辑母版标题样其研究领域包括预测吸附等温模拟结构改变、离子交换、不同电荷贡献及无序替代对吸附性质的影研究纯组分合质副标题样定量分析温度及压强对体系的影通过判定优先吸附点和计算结合能，从原子级别来理解吸附机制的原通过图形表示法和分析来解释结有毒有毒计母版标题单击此处编辑母版副标题样使用模拟技术设计脱硫催化背––SO2 使用模拟技术设计脱硫催化背––SO2 样要是化SO–2H2S+SO22H2O+SO2+2CO+J.A.Rodriguezet脱硫催化剂设2CO2+SO2+2COat500O脱硫催化剂设2CO2+SO2+2COat500O0为什么Cr0.06Mg0.94O具有如此高的活性？–SO2ConversionSO2分子在表面吸附后的计算SO2分子在表面吸附后的计算结S-O键被活单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样2-1-1-SO2活化原Cr0.06Mg0.94O对于CO还原SO2活化原Cr0.06Mg0.94O对于CO还原的反应，是一个非常好的催剂，原因在–在MgO的价带上出现了常理想的填充电子–原O中的比Cr2O3中Cr原子的氧化要单击此处编辑母版副标题样看起来应该找一个替代品来替代Cr元素怎么样替代替代Cr的候选元素MnFeCoNi怎么样替代替代Cr的候选元素MnFeCoNiZn&Mn<Ni<Co<Sn<Zn<差好•4.5MgOINMATEL0OO +KFe0.06INMATEL0OO +KFe0.06Mg0.94OO 2CO2+SO2+2COat500Si-embeddedgraphene:anefficientandmetal-freeSi-embeddedgraphene:anefficientandmetal-freecatalystforCOoxidationbyN2O单击此处编orO版标题样Si掺杂石墨烯做为N2OorO2氧化CO催化剂研J.Zhao,et.al.,版副标题样Theor.Chem.Acc.131(2012)COCO车、工业释放的COCO车、工业释放的催化剂材料，而Si掺杂的石墨烯，不含金属、污染小的绿色化学催化剂单击此处编辑母版标题样SiO2N2OCO单击此处编辑母版副标题样适用于环境专业,有毒气体处单击此处编辑母单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样aO2bCO,cCOO2,dN2O,eCO2fN2gOBarrier(0.48Barrier(0.48Barrier(0.21CO+O2OOCONN2ON2+CO+OOCO案：天然汽油脱硫中案：天然汽油脱硫中乙硫醇和含铁的离子液体的相互作用的密度泛函研研究中包用子液萃取法，的低人们的浓厚单击此处编辑母版副标题样S–Fe1=6.287S–Fe1=2.304S–Fe1=6.287S–Fe1=2.304单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标S–F12.269活化能0.384eV(8.83-High-capacityHigh-capacityhydrogenstoragemediumTidopedfullerenei代的60J.Guo,Z.Liu,S.Liu,et.单击此处编辑母版副标题样Appl.Phys.Lett.98(2011)•目前，人们广泛研究了有纳米微孔的含碳材料有望作为有效的、可逆的•氢材Ti子吸附在和纳米管以很强的氢分子成键，键能在0.10到0.50eV的范围内。但是，这里的过渡金属易团聚，从而减少了储氢的数量单击此处编辑母版副标题样••completecomplete(a)TiC58(一个Ti原子替代C60)，一个Ti原子取代C60一个双键，之后，TiC4单击此处编辑母版标题样(dH2TiC58Ti第一个氢分子先物理吸附在Ti原子上，然后解离为两个氢原子，活化能垒只有0.32eV。单击此处编辑母版副标题样(eH2TiC58Ti第二个氢分子先物理吸附在Ti原子上，然后解离为两个氢原子，活化能垒只有0.48eV。(f)TiC60Ti6C(f)TiC60Ti6C48Ti换C60的一个双键，两个相邻的Ti原子被连接两个苯环的一个C-C单键隔开，平衡的Ti6C48结构，具有Oh对单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样0.510.07(i)36Ti6C48体系的TiTi究发现：TiTi究发现：TiH2H2Ti单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样重金重金编辑母版标题单击此处编辑母版副标题样ComputersimulationsComputersimulationsoftheinteractionsofthe(012)(001)surfacesofjarositewithAl3+,Cd2+,Cu2+andAl3+Cd2+u+和Zn2012(001)单击此处编辑母版副标题样GeochimicaetCosmochimicaActa75(2011)固体或者地下水固体或者地下水中有毒元素的存在危害了人类健康和生态环境，研究发现这些有毒元素形成矿物或者吸附在矿物表面可以减缓此类现象，而研究表jarosite矿物（AB3(TO4)2(OH)6结构）可以固定有毒元素。因此，我们研究物究竟是如何固定有毒元素的具有非常长远的物理意义单击此处编辑母版标题样本文采用Gulp模块研究Al3+、Cd2+、Cu2+、Zn2+等元素在K-jarosite矿物单击此处编辑母版副标题样面吸附及其对吸附后矿物表面结构及性质的影响模拟理论Gulp力场势函数及模拟理论Gulp力场势函数及参单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样模型分析四种模型分析四种取代类单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样结果分析结果分析单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样PredictionoftheMainPredictionoftheMainRouteintheTiO2-DegradationOrganicCompoundsinWaterby单击此alalcula样密度泛函理论研究TiO2光催化降解水中有机污染单击此处编辑母版副标题样ChemPhysChem2012,13,3457–近年来近年来，半导体多相光催化做为一项新的污染治理技术，日益受到重视大部分有机污染物分解为CO2和H2O本文采用密函CSP块了iO2水中有机污染物的要反应机制，对了解水中有机污染物的处理具有重要指导意义模型如右图所模型如右图所示其中价带顶能级是根据PDOS图得到单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样TheenergiesofVBMof模拟过首先，假设模拟过首先，假设水和有机物VBM价带顶氧化假设IO速率主要受*OH生速率影数比率K预测编辑母版标题样 应机制在低HOMO分子中准确高；而高HOMO分子有出入，析原因主要是驱。处编辑母版副标题样水中的TiO2表面是羟基化的DFT计算结果展λ=0.64DFT计算结果展λ=0.64单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样气体气体此处编辑母版标题单击此处编辑母版副标题样CO2NCO2N2和其混合废气在MCM-41分子筛中的吸附研单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样J.Phys.Chem.C2008,112,分子筛是分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面很大的空穴。能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不单击此处编辑母版标题样的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用研究人员利用Sorption模拟方法研究CO2、N2和其混合废气在MCM-41子筛中的吸附。吸热点适合气体分离器、多孔材料气体吸附研究的客在无定形在无定形SiO2基础上挖出圆柱孔道并用单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样单击此处编单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样单击单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样官能团官能团对CO2聚苯胺传感器工作范围的影单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样SensorsandActuatorsB(2011)InPress,available合物已经成为CO2器。母版副标题样聚苯胺传感器及其官能团–SO3Na的影响适合气体传感器、气体分离器研究的客CO2传感器机单击CO2传感器机单击此处编辑母版标题样单击此处编辑母版副标题样浓度同H质子与亚胺的浓度