概 述
提高多孔碳基电极的电容
工业应用
储能、块体材料
挑战
确定适宜的前驱体材料
生成终态材料的仿真数学孪生
了解杂质对吸附行为的影响
模拟工作
从不同前驱体材料开始连锁模拟得到终态材料
分析无定型材料的结构性质
模拟不同组成的终态电极材料的吸附行为
模拟结果
确定了适宜的前躯体材料。对仿真形态结构进行了模拟。阐明了杂质对吸附行为的影响。Porosity was
分 类
工业应用
电子元件
石油，天然气及石油化工
精细化学品
软件
Classical
AMORPHOUS BUILDER
CASSANDRA
LAMMPS ATOMISTIC
TOWHEE
Engineering
MAPS
性质
吸附等温线
电容
微孔材料具有巨大的经济价值并在催化剂、分子筛及清洁能源的生产及储存中具有关键作用。碳化物衍生炭(CDC)构成的一类多孔材料可作为优异的电极材料用于超级电容器这类储能设备中。CDC孔径可调且具有大的比表面积，因此成为用于储能设备的关键潜在电极材料。
挑战
无定型多孔体系用途广泛且市场空间仍在不断扩展，不过此类材料难以完全通过实验进行表征。然而对材料的深入理解、对产品性能的优化及调整却至关重要。纳米多孔碳被视为是超级电容器使用的最有前景的电极材料之一。本研究中我们对前驱体材料及杂质对孔隙率、吸附行为及碳材料3D结构（基本的物化性质）的影响进行了研究。以期生成最终材料的仿真数字孪生以供进行充电过程研究并最终提高超级电容器的电容量。
模拟工作
利用MAPS/LAMMPS及MAPS/Towhee 模拟了无定型纳米多孔碳体系的结构及其吸附行为。通过MAPS的分析功能对结构进行了表征。通过对不同碳化物及碳氮化物前驱体进行了一系列分子动力学模拟（MD）得到活性电极材料的真实模型。对孔径及sp3/sp2比进行了分析。计算了纯碳及部分氧化的碳模型的CO2吸附等温线。
Figure 1：计算及实验得到的CO2吸附等温线
模拟结果
所构建的虚拟实验模拟协议可用于搭建无定型纳米多孔结构。这是对性质及过程进行原子尺度研究的基础。通过对比计算得到的性质与实验测定的数据对结构进行了验证。模拟结果显示测试结构中含有2%的氧杂质。模拟协议可被广泛应用于无定型多孔材料的模拟，在轻度改性的无定型非均相催化体系研究中也有成功应用。
Figure 2：部分氧化的纳米多孔碳模型 碳骨架——灰色，C=O基团——橙色，CO2——品红色
MAPS 材料及化工过程设计平台是集多款优秀的第三方材料设计软件的、多尺度、可扩展的平台；可应用于从量子化学计算到中尺度计算。MAPS包括友好的图形用户界面供用户建模、方便分析计算结果。 MAPS适合描述含能材料、离子液体、高分子材料、合金材料、复合材料、电池材料等性质。
CASSANDRA模块：一款出色的现代化的蒙特卡洛软件，可对任意数量的由环、链结构或两者兼具构成的分子进行模拟。可被用于对有机小分子、寡聚体、水溶液、多孔材料及离子液体进行所有常见系综的模拟，如NVT、NPT、Gibbs及巨正则系综。可对所有对势累加力场进行处理。与使用并行OpenMP的类似模拟引擎相比具有快速高效的优势。可计算多孔介质内的等温吸附、以及蒸汽压、浓度甚至溶解度这类液体性质。通过CASSANDRA预测得到的物理性质可被化工工程师通过SCITHERM进行状态方程模拟，以及对产品和工艺设计的热力学模拟。CASSANDRA使用OpenMPI执行并行运算。
