催化剂中反应-扩散性能与复杂孔道结构关联性的多尺度模拟

The catalytic effect of catalyst is not only decided by the active ingredient in the catalysts, but also closely related to the component of its matrix, configuration and conformation of the multi-level pore structures, the relevant reactants and the resultant morphology and environment. How to describe the pore structure and quantify the relationship between the effective diffusion coefficient and pore structure and the influence of reaction-diffusion coupling process on reactants conversion and product distribution are the challenges in the catalyst research fields. Only experimental test is difficult to obtain a complete understanding. Most of the existing computer simulation studies explore the adsorption or diffusion of hydrocarbon molecules. The computational model is simple nano-level structure of the zeolite rather than the complex multi-level porous structures of the catalyst, also not considering the reaction-diffusion coupling process, which cannot study the catalytic effect deeply. The project will make use of a supercomputer platform, the establishment and quantification of multi-scale physical models, coupling of quantum mechanics and molecular dynamics simulation method to explore the diffusion process and reaction-diffusion coupling process in the catalyst pore structure. Then, quantitatively evaluate the relation of reaction-diffusion performance with different porous structures. The goal is to provide theoretical support for design, preparation and performance prediction of the industrial catalyst with high efficiency.

催化剂的催化效应不仅决定于催化剂中的活性成分，也与其基质的组成、孔道的结构、相关反应物与生成物的形态以及使用的环境密切相关。如何描述孔道结构特征并量化有效扩散系数与孔道结构特征之间的关系,以及孔道内反应-扩散过程的耦合对反应物转化和产物分布的影响规律是催化剂研究面临的难题。单纯的实验测试难以获得完整的认识。现有的计算机模拟偏重于烃分子的吸附或者扩散过程，采用的模型是简单的纳米尺度沸石结构而不是复杂的催化剂微米尺度多级孔道结构，也没有考虑反应-扩散耦合过程，不能对催化效应深入研究。本研究将利用超级计算机平台，建立催化剂的多级孔道结构并对其结构特征进行量化。采用量子力学与分子动力学耦合的方法，研究催化剂孔道内的扩散过程以及反应-扩散过程的耦合，定量评价催化剂反应-扩散性能与孔道结构特征的关联，为实际高效工业催化剂的设计、研究制备和性能预测提供理论支撑。

催化剂具有复杂的多级孔道结构，其催化性能与孔道内的反应-扩散耦合过程密切相关，为了研究其中的反应-扩散耦合规律，该项目按照计划建立了包含多级复杂孔道的催化剂结构，编制了能够针对催化剂孔道结构中反应-扩散耦合过程模拟的程序软件，可以进行大规模并行计算。本项目对孔道中的有效扩散系数进行了定量分析，提出了两种积碳分布模型，对孔道中积碳过程对孔道性能的影响进行了研究，发现如果孔道中反应-扩散协调较好，则形成较为均匀分布的积碳，则在初始阶段（积碳量较小），积碳对孔道的扩散性能几乎没有影响。如果孔道中反应-扩散协调的不好，则容易在一些位点处形成集中分布的积碳，此时积碳很容易将整个孔道堵塞，此时积碳会对孔道的扩散性能造成严重影响，即使积碳量很小。在此基础上，将复杂孔道结构看作是由一些基本的简单孔道结构组成，提出了对反应过程和扩散过程进行量化分析的描述参数反应因子和扩散因子，并采用这些参数研究了这些简单孔道结构中反应-扩散耦合的机制，发现孔道结构的性能取决于反应因子和扩散因子之间的竞争协调。对于比较长且窄的直孔道来说，如果孔道中间封闭，则扩散因子几乎不受影响，因为分子能够扩散进入孔道的有效距离是有限的。对于给定的结构，其孔道长度、横截面积等存在着最佳尺寸使得孔道性能最好；而且横截面具有比较大的长宽比时能够提高孔道的性能。十字形孔道性能比T形孔道性能好，都好于直孔道，而且主孔道具有的分支孔道越多，其性能越好，但整个结构必须优化才能获得最佳性能。这些结果为实际高效工业催化剂的设计、研究制备和性能预测提供理论支撑，完成了原定的研究目标和预期成果。在项目的资助下，有1名博士顺利毕业，在国际主流期刊上发表了6篇SCI学术论文，并申请注册软件1项，参加了包括两次国际会议在内的多次国内外学术交流。