概 述
分子篩對烷烴裂化的催化作用
工業應用
石油化工、精細化學品
挑戰
了解化學反應活性
反應機理考察
確定反應條件的影響
模擬工作
化學反應模擬
模擬反應物、過渡態及產物
確定催化劑的關鍵性質
分析溫度及壓力對反應的影響
模擬結果
確定控速步驟。通過反應路徑及電荷分析確定催化方式。
分 類
工業
大宗化學品
石油天然氣及石油化工
軟件
Quantum
NWChem
TRANSlTlON STATE LOCATOR
Engineering
MAPS
性質
反應能壘
反應路徑
過渡態
應用
催化劑
烷烴裂化，如大碳氫化合物裂化生成價值更高的小分子對石油化工工業的原料加工極為重要。石油化學品被廣泛應用于幾乎所有市場領域中，全球市值達到幾千億美元。熱裂化需要極高的溫度（500 – 900 °C）及壓力(7000 kPa)，與之相比催化裂化使用環境友好、無毒的多孔晶體結構的水合硅鋁酸鹽分子篩。催化裂化烷烴分解反應的能耗更低，是煉制工業的主要轉化工藝。
挑戰
催化反應存在于大量主流化學生產工藝的眾多流程中。經濟及環保因素成為催化劑開發與改性的持續驅動力。生產工藝需通過升級降低成本。除此之外，可持續及環境友好生產的意識不斷提高。獲得更高收率及反應條件優化的關鍵在于對催化機理的理解。在這方面，材料模擬通過對實驗無法或難以實現的情況進行考察（過渡態僅為其中一部分）提供關鍵信息。
模擬工作
在本研究中，我們利用MAPS的NWChem模塊通過密度泛函理論（DFT）計算對分子篩催化丙烯裂化為乙烯及甲烷分子的反應進行考察。著重考察催化對初始反應影響及不同參數，如溫度計壓力對反應的催化速率的影響。對反應能量、不同階段反應的過渡態進行了計算。此外還進行了電荷計算并利用MAPS熱力學分析工具確定溫度及壓力對反應能量的影響。
Figure 1：丙烷裂化反應路徑的能量變化
模擬結果
丙烷催化裂化生成乙烯及甲烷的過程分2步進行。計算得到的反應能量顯示第1步反應為控速反應，因為反應能壘比第2步反應高~100 kJ/mol 。該發現與文獻數據相一致。對反應路徑進行分析顯示促進了甲烷及與分子篩成鍵的C2H5基團的穩定中間體的生成。由于中間體非常穩定從而降低了兩步反應的能壘。原子部分電荷分析表明分子篩的催化作用來自質子的酸性促進了C-C鍵極化，進而對形成的中間體起到了穩定作用。
分子模擬是理解并預測復雜體系中分子反應活性的有力工具，對催化反應、石油天然氣及化學工業都極為重要。
Figure 2：第一步基元反應過渡態的3D結構模型
MAPS 材料及化工過程設計平臺是集多款優秀的第三方材料設計軟件的、多尺度、可擴展的平臺；可應用于從量子化學計算到中尺度計算。MAPS包括友好的圖形用戶界面供用戶建模、方便分析計算結果。 MAPS適合描述含能材料、離子液體、高分子材料、合金材料、復合材料、電池材料等性質。MAPS軟件擁有：(一）建模功能（二）分析功能。
NWChem 模塊：用于研究化學反應、結構、電子和其他分子性質的從頭算軟件。NWChem提供分子性質的精確計算：電子結構、鍵長、鍵角、電學、振動、光學（IR、RAMAN、UV-Vis光譜）和其他性質，以及沿著反應路徑的能量學(過渡態和能壘)。支持分子動力學計算，可以模擬動力學現象和構象搜索的性能。
TRANSITION STATE LOCATOR模塊：在分子和固體的勢能面上定位過渡態來預測反應路徑。TRANSITION STATE LOCATOR使MAPS用戶能夠在分子和固體的勢能面上找到過渡態。支持線性和二次同步渡越(LST/QST)與微動彈性帶(NEB)，并且可以在MAPS中使用多個量子引擎。
