天然疏水深共晶溶剂捕获预燃烧CO2研究(ACS Sustainable Chem. Eng 2022)

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摘要 本文通过使用COSMO-RS方法，设计疏水性深共晶溶剂（DES）预燃烧CO2捕集溶剂。作者通过AMS软件COSMO-RS模块对CO2在各种化合物与二元溶剂中的溶解度进行了可靠性较高的估算，从筛选的38种天然衍生疏水CO2亲和的化合物中开发出新的DES，根据COSMO-RS预测的活度系数评估这些物质中两两形成DES的可能性，然后进一步预测CO2的溶解度，总共筛选出58个有希望的DES，成功地制备并表征了8个DES。 室温下，这些DES大多数密度大于1.0 g/mL，具有与癸酸-薄荷醇（1:2）类似的低挥发性，在420 K以下具有很好的热稳定性。确定其中香兰素-4-氧代异膦酮（1:3）和水杨酸甲酯-4-氧基异膦（1:1），是非常有前途的预燃烧捕获剂，与众所周知、常规使用的Selexol溶剂具有相当的CO2溶解度和粘度。 参考文献 Kun Xin, Fausto Gallucci, and Martin van Sint Annaland*, Development of Natural Hydrophobic Deep Eutectic Solvents for Precombustion CO2 Capture, ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05090

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超临界流体的不均性分布及其对反应行为的影响（JACS Au 2022）

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研究背景 超临界流体因其特殊的性质，已经广泛应用于化学工程行业中。以热裂解反应为例，如石化炼炉，高性能燃烧容器等装置内发生的热裂解反应，往往发生在超临界流体中。已有大量实验研究报道，超临界条件下的热裂解反应在反应速率及反应产物等方面，显著差异于常压气相下的热裂解反应。然而，解释这些由于相态区别导致的反应行为差异，尚为超临界领域内的一个难题。为此，有必要从超临界流体本身存在的特殊微观流体结构出发，对其微观分布与特异反应行为的关联进行研究，为拓宽超临界流体的应用提供理论基础。 基于此，天津大学化工学院刘国柱教授团队提出了一种结合机器学习与分子动力学的模拟策略：通过集群变量驱动元动力学（CVHD）模拟超临界流体在真实工况条件下的反应过程，准确描述了超临界热裂解的特殊反应行为，并通过深度神经网络对原子局部环境进行学习，将超临界流体从原子尺度划分为“类液原子”与“类气原子”，揭示了拥有特殊局部环境的“类液原子”在超临界流体反应中的重要作用，理论性地解释了超临界反应的特殊反应行为。该研究结果对于深入探索超临界流体及相关反应具有重要的理论意义。 研究内容 首先，作者利用AMS软件ReaxFF模块中提供的集群变量驱动元动力学算法（CVHD），模拟了真实工况条件下（1000 K），气态及超临界态代表性碳氢燃料组分正癸烷的热裂解反应过程，并追踪了反应中的主要产物分布，构建了两种反应条件下的反应机理网络。相较于气态热裂解反应，超临界态下的反应中，诸如氢提取反应，双自由基加成反应等双分子反应所占比例显著提高，导致反应产物中大分子烷烃数目增加，产物烷/烯比增加，符合实验结果。 为解释超临界态热裂解反应的特殊行为，选择深度神经网络对真实气相、液相原子的局部环境进行学习，构建二元分类器，对超临界流体进行筛分。筛分结果表明，超临界流体并非均匀单相，而是由“类气原子”与“类液原子”交织共存形成的泡沫状结构。随着流体所处环境压力的改变，流体体密度发生变化，所含“类液原子”的比例也随之改变，并呈现出S型变化趋势。 图1. 超临界流体中的类气、类液原子分布（a）3 MPa; (b) 15 MPa; (c) 30 MPa 进一步地，对超临界态反应中大量增加的双分子反应进行追踪分析，发现双分子反应集中发生于“类液原子”及其近邻原子所构成的“类液区”中。后续分析发现，“类液原子”拥有与液态相似的局部环境，其较高的局部密度保证了足够的有效碰撞几率，促进了双分子反应的有效进行，并最终导致超临界态反应的特殊反应行为。 图2. 典型双分子反应的定位及原子种类划分。其中(a), (b)为反应追踪及定位；(c), (d)为类气/液原子划分结果。 小结 该工作结合机器学习与反应性分子动力学模拟，从超临界流体的微观分布特殊性出发，解释了超临界态反应的特殊反应行为。集群变量驱动元动力学算法有效地拓展了模拟时长，使真实工况下的反应模拟成为可能。深度神经网络分类器则描述了超临界流体的不均性微观分布，并确定了超临界流体中特有的“类液原子”，以及其与双分子反应之间的联系。该研究结果从微观层面完善了对于超临界态反应的了解，广泛地拓展了超临界流体及其反应的应用空间。 参考文献 Yutong Wang, and Guozhu Liu*, Inhomogeneity Effects on Reactions in Supercritical Fluids: A Computational Study on the Pyrolysis of n‑Decane, JACS Au, 2022, DOI: 10.1021/jacsau.2c00359 感谢天津大学化工学院刘国柱教授课题组博士生王宇桐同学供稿！

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基于HRTEM探究多温度段煅后石油焦的微观结构特征演变及多尺度建模(Fuel 2022)

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相关背景 煅烧是制备石墨产品的一个重要过程，煅烧后的石油焦是如锂离子电池负极、钢铁冶炼热电偶、稀土电解槽槽体和铝电解炭阳极等炭素材料的优质原料。 现有研究已表明，煅烧会使石油焦的物理和化学性质发生一系列的变化：焦体中的挥发物和水分被大量去除，导致体积收缩、密度增加；芳香烃在煅烧过程中先后经历热解、聚合和重新排列，导致导电性提高； H、O、N和S等杂质元素也可在高温下脱除，导致焦体骨架抗氧化性提高。 然而，现有的关于温度对煅烧焦的影响的研究，大多数是基于传统实验，演变规律的探究主要基于对实验结果的推测。对于不同温度段煅后焦微观结构特征的演变规律，需要通过更先进的检测方法进行深入分析。建立精确的微观模型，是进一步利用材料计算模拟方法探究微观反应机理的基础。 研究亮点 中南大学仲奇凡教授课题组基于HRTEM检测，分析了不同温度段煅后焦晶格条纹的长度、堆叠、方向和曲率的变化。发现温度在289~1873 K间，平均条纹长度、堆叠占比、45度集中分布频率和弯曲条纹占比的值分别从7.36 Å、10.26%、44.91%和58.74%变化到12.03 Å、50.63%、98.71%和36.13%。数学拟合被用来连续和定量地分析微观结构特征的变化规律。在873~1873 K的温度区间内，微观结构特征的变化规律与Logistic回归模型拟合良好。根据拟合曲线的趋势，尽管大多数微观结构特征在873 K以下经历了轻微的不良变化，但在873 K以上，微观结构特征进行了较大程度的有益演变，提高了结构有序度。此外，拟合曲线的数学方程可以可靠地计算出给定温度段下的各项特征值。 图1 基于HRTEM对多温度段煅后焦微观结构特征演变进行分析 通过HRTEM图像引导的自动化建模、AMS软件中ADF模块的结构优化和ReaxFF模块的分子动力学驰豫等方法，成功建立了煅后焦的分子尺度（约70个原子）模型、微晶尺度（3990个原子）三维模型和纳米尺度（31909个原子）三维模型。模型中的H/C比率、官能团比例、微量金属含量、真实密度和结构特征等与实际数据相似。利用ADF模块计算出煅后焦分子模型的FT-IR图谱，再利用芳香族H和脂肪族H的峰面积之比可计算出分子模型的芳香度，其值与实际检测结果相近，利用相关脚本可计算得到三维模型的XRD图谱，其特征峰位置与实际图谱基本一致。以上多方面验证证明了所建模型的合理性，这样的多尺度模型精确表征了煅后焦的微观结构，并可应用于碳材料反应过程的计算模拟研究。 参考文献 Microstructural features transformation at various temperature stages and multi-scale atomistic representations of calcined petroleum coke based on HRTEM, ZihanYou, JinXiao, QiuyunMao, XiuzhenZhang, QifanZhong, Fuel, 2022, Volume 330, 125521 感谢中南大学仲奇凡教授课题组犹子涵博士供稿！

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甲烷在MoO3(010)表面催化脱氢的密度泛函理论研究(Comput. Theor. Chem. 2022)

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随着石油和天然气价格的波动以及新冠病毒在全世界爆发，将天然气转化为具有更高经济和战略重要性的增值化学品的需求和研究兴趣越来越强烈。此外，对氢燃料的需求不断增长，以及全球芳香族化合物和烯烃的短缺，都是甲烷转化的额外动力，甲烷的非氧化转化生产清洁氢燃料，被认为“未来燃料”。 最近Badran等人，利用AMS软件BAND模块，使用DFT计算甲烷在MoO3(010)表面两种不同超胞上的吸附，研究了甲烷在氧化钼（MoO3）表面的催化脱氢。研究发现，对于CH4的吸附，在Mo和O网格构成的光滑表面，比悬垂O原子构成的表面更有利，这与过去的认知有所不同。 甲烷在MoO3(010)表面的吸附位置 甲烷在MoO3上脱氢的反应机理 研究亮点： 在新的MoO3(010)超胞上吸附甲烷，用于甲烷转化研究非氧化条件下，甲烷在MoO3表面分解的反应机理该反应主要导致生成 · CH3、H2和乙烯第一次CH3-H键断裂的活化能低至66.4 kJ/mol 参考文献： I. Badran, N. Sahar, R. Amjad, M.S. Nashaat, N.Nassar, Density Functional Theory Study on the Catalytic Dehydrogenation of Methane on MoO3 (010) Surface, Comput. Theor. Chem. 1211: 113689 (2022)

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庚烷-甲苯-DMF/DEG-KSCN液液平衡体系的COSMO研究(Ind. Eng. Chem. Res. 2021)

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芳烃是石化工业中最重要的一类，由于它们常与脂肪族化合物形成多组分混合物，而它们沸点非常接近，因此分离是一个巨大的挑战，液-液萃取是传统分离过程的一个很好的替代方法。本文获得了庚烷-甲苯-二甲基甲酰胺（DMF）-二甘醇（DEG）体系在硫氰酸钾盐存在和不存在的情况下的液-液平衡数据，并利用COSMO模型研究了离子在DMF-DEG极性混合溶剂中的溶剂化。经验证，溶剂化络合物不能作为描述系统平衡的模型，尽管存在其他预期结果。 作者得到了n-庚烷 + 甲苯 + DMF/DEG 1:3，含/不含5% KSCN混合物在298.15K和大气压下的液液平衡实验数据。与COSMO-SAC模型相比，不同离子溶剂的COSMO-RS计算得到的分配系数与实验结果更接近。超出预料的是，与COSMO-SAC（段活度系数）计算结果相比，COSMO-RS（真实溶剂）计算的未溶剂化离子与实验数据具有更好的近似性，表明系统的物理性质或COSMO模型特征，两者都可能受到HBs的影响，可能是因为π电子与离子电荷的相互作用以及与溶剂的氢键作用。 参考文献： Beatriz Fernanda Bonfim de Souza, Stephanie Lenhare, Stênio Cristaldo Heck*, André Zuber, Stéphani Caroline Beneti, Andréia Fátima Zanette, and Lúcio Cardozo Filho, COSMO Study on the Heptane–Toluene–DMF/DEG-KSCN Liquid–Liquid Equilibrium System, Ind. Eng. Chem. Res. 2021

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基于COSMO的气体在聚合物离子液体中溶解度的预测模型(Green Energy & Environment 2021)

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气体在聚合物中的溶解度在加工先进高分子材料中起着重要的作用，聚合物离子液体（PILs）是一类重要的、尚未开发的聚合物。北京化工大学雷志刚教授课题组，最近在Green Energy & Environment的论文中，将不同的COSMO-RS参数与AMS软件COSMO-RS模块中的聚合物功能相结合，预测气体在标准聚合物和PIL中的溶解度。对于常规聚合物，标准COSMO-RS参数化性能最好，而对于PIL中的CO2溶解度，离子液体参数（ADF Lei 2018，见下文）的预测最为准确。 下图为COSMO-RS (ADF 2018 Lei) 预测CO2在聚合物离子液体 P([VBMTA][BF4]) 中的溶解度结果： 2018年雷志刚教授在Green Energy & Environment发表的一篇文章中，基于ADF框架对离子液体COSMO-RS参数的进行了重新参数化。训练过程使用了包括2283个无限稀释活度系数数据点和1433个从文献中收集的CO2溶解度数据点。并利用修正后的参数预测了CO2在低温（<273.2k）下在纯离子液体中的溶解度，以及CO2在宽温压范围内在混合离子液体中的溶解度。 如何使用该参数？ 在ADF的COSMO-RS模块图形界面，用户可以直接选择Method > Parameters > ADF Lei 2018： 参考文献 Ruisong Zhu, Zhigang Lei, COSMO-based models for predicting the gas solubility in polymers, Green Energy & Environment (2021) Jingli Han, Chengna Dai, Gangqiang Yu and Zhigang Lei, Parameterization of […]

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采用理论模拟、在线光电离质谱和热重-DSC-红外-质谱揭示N-脒基脲二硝酰胺盐的热解机理(Combustion and Flame 2021)

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N-脒基脲二硝酰胺盐（GUDN）由于高能量和低感度受到了研究者的关注。含能材料的热分解动力学行为研究对其实际应用具有重要的作用。然而，在实验技术上确认反应活性中间体仍然是有待解决的问题。本文作者通过ReaxFF反应分子动力学联合在线光电离质谱和热重-DSC-红外-质谱阐明了GUDN的热分解机理，构建了GUDN热分解网络。结果表明：GUDN热分解的主产物包括CO2、N2、H2N2和NH3，少量产物包括H2O和HN2，产物NO2，NO和CO仅参与初始生成和中间体转化反应。本研究可为探索热动力学参数和进一步建立点火模型提供一定的理论基础。 此项研究中分子动力学模拟在AMS（Amsterdam Modeling Suite，原ADF）软件ReaxFF模块中完成。 参考 原文：Liping Jiang, Xiaolong Fu, Xuezhong Fan, et al. Combustion and Flame. 2021, 229, 111406. 案例：ReaxFF-燃烧：甲烷燃烧过程模拟https://www.fermitech.com.cn/wiki/doku.php?id=adf:simplemdofreaxams 本文由西安近代化学研究所姜丽萍博士、付小龙研究员供稿。

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AMS在化工分离过程中的应用

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概述 COnductor-like Screening MOdel for Realistic Solvents(COSMO-RS、COSMO-SAC)，是一种基于DFT数据，预测气体纯液体、液体混合物、溶液、离子液体性质的方法，也用于共晶的研究。数据库中包括2500种化合物（溶剂、小分子）以及离子液体离子的DFT数据库，用户也可以通过ADF模块轻松扩充DFT数据库。 除了基于DFT数据的COSMO-RS、COSMO-SAC方法，还有基于基团特性的UNIFAC方法。用户提供分子结构SMILES，程序即可预测材料性质，甚至有时候能够得到更好的结果。 可以预测的流体性质列表 溶解度、分配系数 (log P, log Kow)pKa、pKb、Sigma Profile活度系数、溶剂化自由能、亨利常数饱和蒸汽压、沸点、（二元/三元）气液平衡相图 (VLE/LLE)过剩能, 共沸、溶混性gap成分线、混合物闪点对单组份物质的熔点、沸点、闪点、临界温度等性质的快速预测 溶剂筛选方面的应用（参考教程） 化学工程师可能希望通过调整蒸气压和沸点来优化蒸馏过程，而药物化学家可能希望最大限度地提高溶剂萃取效率，将药物活性成分从主要污染物中分离出来，或者最大限度地提高辅料的溶解度。 我们的溶剂系统优化工具，能对一组给定溶剂，为溶液、液-液萃取寻找最佳溶剂混合物，从而完美减少实验搜索空间。脚本工具可以方便地根据指定特性，筛选溶剂或溶剂组合。 COSMO-RS/SAC的脚本应用还包括优化催化剂、溶解度参数、pKa值和在离子液体中的吸附。 聚合物方面的应用（参考教程） COSMO-RS和COSMO-SAC能够预测聚合物的热力学性质和描述符，如活度系数、蒸汽压、分配系数、溶解度和Flory-Huggins-Chi 应用实例 实例1：双相萃取5-羟甲基糠醛溶剂筛选的多尺度模拟与实验研究 Zhaoxing Wang, Souryadeep Bhattacharyya and Dionisios G. Vlachos Solvent selection for biphasic extraction of 5-hydroxymethylfurfural via multiscale modeling and experiments Green Chem., 2020,22, 8699-8712 可再生的木质纤维素生物质衍生平台化学品，如糠醛和5-羟甲基糠醛（HMF），为未来的聚合物、精细化学品和药物提供了非常有希望的合成途径。副反应严重抑制水相中果糖脱水产生的HMF产量，但通过将HMF从反应水相中提取到有机相中可以将副反应降至最低。不过理想溶剂的筛选是非常重要的。 为了提高溶剂筛选效率，特拉华大学的研究人员最近将AMS软件中COSMO-RS理论预测与靶向实验相结合，研究果糖脱水反应中HMF的提取。使用COSMO-RS中的ADFCRS-2018数据库，首次预测了298 K和423 K（代表性木质纤维素生物质反应温度）下所有潜在“水-溶剂”对的“水-有机”液-液平衡。当存在混溶间隙时，利用平衡相组成，对果糖脱水反应中遇到的HMF、乙酰丙酸（LA）和甲酸（FA）的logP初始化计算。 实验测量了多个同系物系列溶剂的分配系数，以评价COSMO-RS预测的准确性。典型误差因子在2以内，表明该方法非常适合于筛选。首次在原位测定了这些物种的高温分配系数。这项研究确定了新型高效萃取剂，如取代胺和苯酚，用于HMF的反应萃取。经过实验验证，其分配系数比传统萃取剂提高了一个数量级。其他标准，如溶剂热稳定性，反应性和毒性，也进行了评估，更多细节，请参考原文。 实例2：人工智能和热力学协助解决纵火案 Sander Korver, Eva Schouten, […]

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AMS在石油化学工业中的应用

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概述 随着计算机性能与计算理论方法的改进，在原子分子水平模拟分子的结构与行为，在石油化工领域得到越来越广泛的应用。在高分子材料、分子筛催化剂以及油品添加剂的研发中，计算模拟能够帮助研究者更深入地理解所研究的体系，促进新分子筛催化剂、高分子材料的的开发与改性，油品添加剂新产品研制，减少实验工作，缩短研发周期。 分子筛催化 结构 分子筛存在大量的真空区域，基于平面波的DFT计算将耗费大量时间在无意义的真空区域。BAND采用STO+NO基组，从而大大节省计算时间，使用GGA等泛函进行结构优化具有较好的可行性 吸附与扩散 BAND、DFTB提供D3(BJ)、D4(EEQ)色散修正，更精确的计算分子吸附通过基于DFT、MOPAC、DFTB或力场的分子动力学模拟能够非常便捷地计算扩散系数分子筛与分子之间相互作用能量的分解分析，以及电子转移的定性图像 巨正则系综蒙特卡洛、分子动力学模拟吸附等温线 高分子催化 高分子聚合催化剂的结构优化 高效并行的ADF能够支持大分子的DFT结构优化支持多尺度方法，用户可以灵活划定聚合物原子区域，对不同区域采用不同的理论，协同优化聚合催化剂结构对于一维周期性结构BAND采用的STO+NO基组大大提高计算效率，能够以比相对于平面波方法低一个数量级以上的计算成本，完成高精度GGA结构优化 高分子催化反应机理 吸附结构优化多尺度方法计算反应过渡态、活化能、反应历程对于一维周期性结构，支持高精度、高效率的DFT过渡态搜索、活化能计算、反应历程使用ReaxFF分子动力学模拟对聚合物的力学性质，如杨氏模量、屈服点、泊松比进行预测ReaxFF探索未知反应机理聚合物与分子之间相互作用能量的分解分析，以及电子转移的定性图像 油品添加剂 热解与燃烧 DFTB、MOPAC、ReaxFF均可作为分子动力学模拟引擎，支持同样的结果分析工具；ReaxFF作为经典的热解与燃烧分子模拟工具，包含最丰富的反应力场，广泛应用于该领域的研究 Bond Boost、REMD、CVHD、fbMC等加速反应方法，能够让分子动力学模拟在实验温度下，得到宏观时间尺度化学反应的结果 Mol Sink允许在分子动力学模拟过程中，定时清除指定产物；Mol Gun可以定时添加反应物 自动分析产物数量变化、基元反应、反应速率常数 其他研究工具 COSMO-RS 气-液相平衡、液-液相平衡最优萃取溶剂优化活度系数、溶解度、pKa、logP 使用定量构效关系估算物质性质：密度、熔点、沸点、闪点、介电常数、液态摩尔体积、分子范德华体积与表面积等EDA-NOCV 键能分解分析，对分子间范德华作用、氢键作用能进行分解分析，分析泡利排斥、静电作用、轨道作用、色散作用能大小分析化学键形成机理，电子在分子轨道中的定量转移，以及定性图像固体表面与分子之间相互作用能量的分解分析，以及电子转移的定性图像 分子动力学粘度 研究实例 实例1：Co/Mn/Na/S催化高选择性费托反应 Jingxiu Xie, Pasi P. Paalanen, Tom W. van Deelen, Bert M. Weckhuysen, Manuel J. Louwerse & Krijn P. de Jong Promoted cobalt metal catalysts suitable […]

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钯使聚氯乙烯工业更环保 （Applied Catalysis B: Environmental，2020）

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聚氯乙烯是以氯乙烯单体为原料，通过自由基聚合反应合成的应用广、成本低、性能优异的聚合物。目前，活性炭负载HgCl2催化剂在工业乙炔加氢氯化制备氯乙烯中仍有应用，对用环境友好的无汞催化剂代替氯化汞催化剂，是绿色化学方向的迫切需求。为了寻找最佳钯催化剂替代，浙江工业大学工业催化研究所、环境学院与台州学院医药化工与材料工程学院联合研究，通过合成和分析从纳米颗粒、团簇到单原子位不同纳米结构的钯基催化剂，探索了负载型钯基催化剂用于乙炔氢氯化反应的活性位置和催化机理，如下图1 a所示： 图1 a，合成过程的示意图；b，不同钯位的催化性能。数据参考原始文献 研究表明，Pd单原子位点比Pd团簇（Pd/AC-R）或Pd纳米颗粒具有更高的活性和稳定性（图1c），吡啶氮有助于钯单原子位的催化活性（图1d）。采用密度泛函理论（DFT）和动力学分析相结合的方法，通过监测协同效应，进一步探讨了吡啶氮对提高催化活性的贡献。通过AMS-BAND进行DFT计算，清楚表明PdN2物种通过改善乙炔吸附，提高了催化效率（图2a）。在该位点，氯乙烯单体是由吸附在Pd位的C2H2与吸附在吡啶N位的HCl反应产生的，遵循Langmuir-Hinshelwood机理，Pd和吡啶N为双活性位（图2b）。 图2 a，C2H2在不同Pd位上的吸附模型和吸附能；b，吡啶氮上稳定的PdN2位反应机理的DFT计算。蓝色、灰色（载体）、红色、绿色、白色和棕色球分别代表N、C、Cl、H和Pd原子。 动力学研究表明，载体表面吡啶态N的大量存在促进了HCl在Pd周围的富集。这种富氯化氢策略，使得乙炔/氯化氢以1:1进料生产氯乙烯成为可能。 作者首次将钯单原子催化应用于乙炔加氢氯化反应，对化工行业具有重要的吸引力。值得一提的是，AMS中的BAND采用Slater基与数值基混合基组，非常擅长计算此类低维度体系，精度与效率均优于平面波方法。 参考文献： Wang B, Yue Y, Jin C, Lu J, Wang S, Yu L, Guo L, Li R, Hu Z-Ting, Pan Z, Zhao J, Li X, Hydrochlorination of Acetylene on Single-Atom Pd/N-Doped Carbon Catalysts: Importance of Pyridinic-N Synergism, Applied Catalysis B: Environmental (2020), 272, 118944

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