催化劑模型化設(shè)計(jì)有助于技術(shù)開發(fā)

通過(guò)創(chuàng)建計(jì)算模型，對(duì)催化劑及反應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)有了很大的提高。例如，利用密度泛函理論(DFT)能精確地描述催化劑表面分子間的相互作用，可完美地解釋沸石催化劑效能。廣義而言，試驗(yàn)和計(jì)算建模相結(jié)合，大大提高了對(duì)多相和均相催化劑結(jié)構(gòu)及性能的認(rèn)識(shí)。盡管如此，催化劑的開發(fā)在很大程度上還是采用試驗(yàn)的方法。理想的選擇性和活性取決于催化劑組成、制備工藝、反應(yīng)條件等其他眾多因素。相關(guān)模型是利用開發(fā)過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建的。催化劑設(shè)計(jì)和開發(fā)的“指導(dǎo)模型”越來(lái)越多，但仍未達(dá)到有把握地使用分子模型，經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)迅速地開發(fā)出商業(yè)催化劑。這種情形或許很快就會(huì)過(guò)去。

通過(guò)催化中心3D成像技術(shù)來(lái)改進(jìn)分子模擬算法，研究人員能設(shè)計(jì)出催化劑。最近一期《自然化學(xué)》雜志發(fā)表的論文中，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)的研究人員介紹了他們開發(fā)的反應(yīng)活性中心立體圖像建模軟件。這些圖像類似于局部地形圖。以彩色編碼代表構(gòu)成活性催化點(diǎn)位官能團(tuán)的三維結(jié)構(gòu)?；钚灾行母浇總€(gè)原子的位置和元素信息通過(guò)結(jié)晶學(xué)獲取，通常還要結(jié)合量子力學(xué)計(jì)算。研究人員將活性位點(diǎn)稱作“催化穴位(catalytic pocket)”，也就是與反應(yīng)物接觸并發(fā)生反應(yīng)的地方。催化劑特征數(shù)值描述可用于結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性、選擇性關(guān)聯(lián)。催化劑設(shè)計(jì)者和開發(fā)人員可以使用這個(gè)模型，通過(guò)修正催化劑化學(xué)和物理(結(jié)構(gòu))性質(zhì)來(lái)改進(jìn)催化劑。利用地形空間圖加上DFT計(jì)算，可系統(tǒng)、快速地進(jìn)行催化劑結(jié)構(gòu)研究。KAUST研究人員表示，已有65個(gè)國(guó)家的科學(xué)家利用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)了地形空間圖，提高催化劑的性能。