概 述
分子筛对烷烃裂化的催化作用
工业应用
石油化工、精细化学品
挑战
了解化学反应活性
反应机理考察
确定反应条件的影响
模拟工作
化学反应模拟
模拟反应物、过渡态及产物
确定催化剂的关键性质
分析温度及压力对反应的影响
模拟结果
确定控速步骤。通过反应路径及电荷分析确定催化方式。
分 类
工业
大宗化学品
石油天然气及石油化工
软件
Quantum
NWChem
TRANSlTlON STATE LOCATOR
Engineering
MAPS
性质
反应能垒
反应路径
过渡态
应用
催化剂
烷烃裂化，如大碳氢化合物裂化生成价值更高的小分子对石油化工工业的原料加工极为重要。石油化学品被广泛应用于几乎所有市场领域中，全球市值达到几千亿美元。热裂化需要极高的温度（500 – 900 °C）及压力(7000 kPa)，与之相比催化裂化使用环境友好、无毒的多孔晶体结构的水合硅铝酸盐分子筛。催化裂化烷烃分解反应的能耗更低，是炼制工业的主要转化工艺。
挑战
催化反应存在于大量主流化学生产工艺的众多流程中。经济及环保因素成为催化剂开发与改性的持续驱动力。生产工艺需通过升级降低成本。除此之外，可持续及环境友好生产的意识不断提高。获得更高收率及反应条件优化的关键在于对催化机理的理解。在这方面，材料模拟通过对实验无法或难以实现的情况进行考察（过渡态仅为其中一部分）提供关键信息。
模拟工作
在本研究中，我们利用MAPS的NWChem模块通过密度泛函理论（DFT）计算对分子筛催化丙烯裂化为乙烯及甲烷分子的反应进行考察。着重考察催化对初始反应影响及不同参数，如温度计压力对反应的催化速率的影响。对反应能量、不同阶段反应的过渡态进行了计算。此外还进行了电荷计算并利用MAPS热力学分析工具确定温度及压力对反应能量的影响。
Figure 1：丙烷裂化反应路径的能量变化
模拟结果
丙烷催化裂化生成乙烯及甲烷的过程分2步进行。计算得到的反应能量显示第1步反应为控速反应，因为反应能垒比第2步反应高~100 kJ/mol 。该发现与文献数据相一致。对反应路径进行分析显示促进了甲烷及与分子筛成键的C2H5基团的稳定中间体的生成。由于中间体非常稳定从而降低了两步反应的能垒。原子部分电荷分析表明分子筛的催化作用来自质子的酸性促进了C-C键极化，进而对形成的中间体起到了稳定作用。
分子模拟是理解并预测复杂体系中分子反应活性的有力工具，对催化反应、石油天然气及化学工业都极为重要。
Figure 2：第一步基元反应过渡态的3D结构模型
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。MAPS软件拥有：(一）建模功能（二）分析功能。
NWChem 模块：用于研究化学反应、结构、电子和其他分子性质的从头算软件。NWChem提供分子性质的精确计算：电子结构、键长、键角、电学、振动、光学（IR、RAMAN、UV-Vis光谱）和其他性质，以及沿着反应路径的能量学(过渡态和能垒)。支持分子动力学计算，可以模拟动力学现象和构象搜索的性能。
TRANSITION STATE LOCATOR模块：在分子和固体的势能面上定位过渡态来预测反应路径。TRANSITION STATE LOCATOR使MAPS用户能够在分子和固体的势能面上找到过渡态。支持线性和二次同步渡越(LST/QST)与微动弹性带(NEB)，并且可以在MAPS中使用多个量子引擎。
