概 述
提高多孔碳基電極的電容
工業應用
儲能、塊體材料
挑戰
確定適宜的前驅體材料
生成終態材料的仿真數學孿生
了解雜質對吸附行為的影響
模擬工作
從不同前驅體材料開始連鎖模擬得到終態材料
分析無定型材料的結構性質
模擬不同組成的終態電極材料的吸附行為
模擬結果
確定了適宜的前軀體材料。對仿真形態結構進行了模擬。闡明了雜質對吸附行為的影響。Porosity was
分 類
工業應用
電子元件
石油，天然氣及石油化工
精細化學品
軟件
Classical
AMORPHOUS BUILDER
CASSANDRA
LAMMPS ATOMISTIC
TOWHEE
Engineering
MAPS
性質
吸附等溫線
電容
微孔材料具有巨大的經濟價值并在催化劑、分子篩及清潔能源的生產及儲存中具有關鍵作用。碳化物衍生炭(CDC)構成的一類多孔材料可作為優異的電極材料用于超級電容器這類儲能設備中。CDC孔徑可調且具有大的比表面積，因此成為用于儲能設備的關鍵潛在電極材料。
挑戰
無定型多孔體系用途廣泛且市場空間仍在不斷擴展，不過此類材料難以完全通過實驗進行表征。然而對材料的深入理解、對產品性能的優化及調整卻至關重要。納米多孔碳被視為是超級電容器使用的最有前景的電極材料之一。本研究中我們對前驅體材料及雜質對孔隙率、吸附行為及碳材料3D結構（基本的物化性質）的影響進行了研究。以期生成最終材料的仿真數字孿生以供進行充電過程研究并最終提高超級電容器的電容量。
模擬工作
利用MAPS/LAMMPS及MAPS/Towhee 模擬了無定型納米多孔碳體系的結構及其吸附行為。通過MAPS的分析功能對結構進行了表征。通過對不同碳化物及碳氮化物前驅體進行了一系列分子動力學模擬（MD）得到活性電極材料的真實模型。對孔徑及sp3/sp2比進行了分析。計算了純碳及部分氧化的碳模型的CO2吸附等溫線。
Figure 1：計算及實驗得到的CO2吸附等溫線
模擬結果
所構建的虛擬實驗模擬協議可用于搭建無定型納米多孔結構。這是對性質及過程進行原子尺度研究的基礎。通過對比計算得到的性質與實驗測定的數據對結構進行了驗證。模擬結果顯示測試結構中含有2%的氧雜質。模擬協議可被廣泛應用于無定型多孔材料的模擬，在輕度改性的無定型非均相催化體系研究中也有成功應用。
Figure 2：部分氧化的納米多孔碳模型 碳骨架——灰色，C=O基團——橙色，CO2——品紅色
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。
CASSANDRA模塊：一款出色的現代化的蒙特卡洛軟件，可對任意數量的由環、鏈結構或兩者兼具構成的分子進行模擬?？杀挥糜趯τ袡C小分子、寡聚體、水溶液、多孔材料及離子液體進行所有常見系綜的模擬，如NVT、NPT、Gibbs及巨正則系綜?？蓪λ袑堇奂恿鲞M行處理。與使用并行OpenMP的類似模擬引擎相比具有快速高效的優勢?？捎嬎愣嗫捉橘|內的等溫吸附、以及蒸汽壓、濃度甚至溶解度這類液體性質。通過CASSANDRA預測得到的物理性質可被化工工程師通過SCITHERM進行狀態方程模擬，以及對產品和工藝設計的熱力學模擬。CASSANDRA使用OpenMPI執行并行運算。
