负载型金属催化剂的仿真方法、装置、介质与流程

本技术涉及催化材料，具体涉及一种负载型金属催化剂的仿真方法、装置、介质。

背景技术：

1、在化学和石油加工工业中，几乎大多数化工产品的生产都需要催化剂的作用。其中，负载型金属催化剂占据催化剂市场的相当大比例，如石油重整负载型催化剂、乙烯环氧化负载型催化剂、裂解汽油加氢负载型催化剂等等。载体在工业催化剂中具有很多优点，如提高活性、提高寿命、增加稳定性等等。研究发现负载型金属催化剂由于催化剂金属颗粒负载到载体上，催化剂的活性、寿命、稳定性等取决于载体和负载金属组分的相互作用，载体与负载金属组分相互作用影响着负载金属组分的形态结构，进而影响负载金属组分的催化活性。除此，一些原位表征实验研究发现负载型催化剂在实际反应环境中催化剂的形态和反应行为会发生动态变化。因而在实际反应环境下，负载型金属催化剂的形态和反应行为复杂多变。

2、目前，随着理论计算方法的快速发展，借助人工智能和机器学习技术通过理论预测设计负载型金属催化剂成为新的研发趋势。然而，现有催化剂仿真设计方法很少会考虑载体和负载金属组分的相互作用，理论计算结果会与负载型金属催化剂在实际反应环境中的形态和反应行为产生一定偏差。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种负载型金属催化剂的仿真方法、装置、介质，考虑载体与负载金属组分的相互作用，模拟计算在接近实际反应环境中负载型金属催化材料的形态和反应行为，预测负载型金属催化材料的催化性能，以提高催化材料的设计准确性和设计速度。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供一种负载型金属催化剂的仿真方法，包括：

3、获取负载型金属催化剂的目标反应体系信息；

4、基于所述目标反应体系信息设定负载金属组分，确定目标负载金属表面模型，计算所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型；

5、基于所述目标反应体系信息确定目标载体表面模型，计算所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型；

6、基于所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型与所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型，构建负载型金属催化剂颗粒模型；

7、计算所述负载型金属催化剂颗粒模型的本征反应动力学信息，根据所述本征反应动力学信息计算所述目标反应体系下所述负载型金属催化剂的催化性能信息。

8、可选的，所述目标反应体系信息包括：实际反应环境信息、化学反应路径网络信息；

9、所述实际反应环境信息包括反应气氛组成、反应温度范围、以及反应压力范围。

10、可选的，所述基于所述目标反应体系信息设定负载金属组分，确定目标负载金属表面模型，包括：

11、设定负载金属组分包括金属元素种类、金属元素比例、金属元素排列分布方式；

12、从晶体数据库中获取每一种金属元素的体相结构，切割出该金属元素各个常见晶面的表面模型，基于所述金属元素比例及金属元素排列分布方式对各个常见晶面的表面模型进行调整，得到负载金属各个晶面的初始表面模型；

13、基于获取的所述实际反应环境信息对负载金属各个晶面的初始表面模型模型调整，得到包含反应气氛的所述目标负载金属表面模型。

14、可选的，所述计算所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型，包括：

15、利用第一性原理计算方法模拟计算所述目标负载金属表面模型在特定温度、特定反应气氛、特定反应压力下各个晶面的热力学稳定表面模型；

16、获取所述目标负载金属表面模型的相图信息、以及实际反应环境下热力学稳定的负载金属表面模型信息和负载金属各个晶面表面能信息。

17、可选的，所述基于所述目标反应体系信息确定目标载体表面模型，包括：

18、从晶体数据库中获取载体的体相结构，切割出初始载体表面模型；

19、基于获取的所述实际反应环境信息对所述初始载体表面模型调整，得到包含反应气氛的所述目标载体表面模型。

20、可选的，所述计算所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型，包括：

21、利用第一性原理计算方法模拟计算所述目标载体表面模型在特定温度、特定反应气氛、特定反应压力下的热力学稳定表面模型；

22、根据所述热力学稳定表面模型，获取所述载体表面模型的相图信息、以及实际反应环境下热力学稳定的载体表面模型信息和载体表面能信息。

23、可选的，利用wulffkaichew理论构建实际反应环境下的所述负载型金属催化剂颗粒模型，包括：

24、利用获取的实际反应环境下热力学稳定的负载金属各个晶面表面能信息，依据wulffconstruction理论构建实际反应环境下负载金属颗粒模型；

25、计算所述负载金属颗粒模型与载体的相互作用能量；

26、利用所述相互作用能量信息和所述负载金属各个晶面表面能信息判断所述负载金属颗粒模型与载体的作用位置信息，计算负载金属颗粒模型与载体的外延浸润信息；

27、根据所述外延浸润信息构建实际反应环境下所述负载型金属催化剂颗粒模型，获取整颗粒尺寸信息、整颗粒暴露面积信息和整颗粒各个晶面的面积占比信息。

28、可选的，计算所述负载型金属催化剂颗粒模型的本征反应动力学信息，包括：

29、基于所述化学反应路径网络信息，利用第一性原理计算方法模拟计算所述目标负载金属表面模型各个晶面上的反应过程；

30、获取所述目标负载金属表面模型各个晶面上的反应过程中的最优反应路径，得到所述最优反应路径下的所述目标负载金属表面模型各个晶面的本征反应动力学信息；

31、结合获取的所述整颗粒尺寸信息、整颗粒暴露面积信息及整颗粒各个晶面的面积占比、以及所述目标负载金属表面模型各个晶面的的本征反应动力学信息，计算所述负载型金属催化剂颗粒模型的本征反应动力学信息。

32、可选的，所述基于所述化学反应路径网络信息，利用第一性原理计算方法模拟计算所述目标负载金属表面模型各个晶面上的反应过程，包括：

33、模拟计算所述化学反应路径网络信息中所涉及的各个吸附物种在所述目标负载金属表面模型各个晶面上的吸附能；

34、搜寻每个吸附稳态之间的反应路径，获取相应的基元反应步骤；

35、获取相关基元反应步骤的过渡态结构、能量信息和活化能垒信息；

36、以及

37、所述获取所述目标负载金属表面模型各个晶面上的反应过程中的最优反应路径，得到所述最优反应路径下的所述目标负载金属表面模型各个晶面的本征反应动力学信息，包括：

38、基于获取的各个吸附物种在所述目标负载金属表面模型各个晶面的吸附能和相关基元反应步骤的过渡态结构、能量信息，以及活化能垒信息，计算所述目标负载金属表面模型各个晶面上各个吸附物种的表面覆盖度、以及各个基元反应步骤的表面反应速率；

39、对比各个基元反应步骤的表面反应速率获取最优反应路径，获取所述目标负载金属表面模型各个晶面的的本征反应动力学信息。

40、可选的，所述负载型金属催化剂的催化性能信息包括反应速率、转化率、选择性、表观活化能、以及反应级数。

41、本发明另一方面还提供一种负载型金属催化剂的仿真装置，采用上述的方法，至少包括：

42、目标反应体系模块：用于获取负载型金属催化剂的目标反应体系信息；

43、负载型金属催化剂颗粒模型构建模块：用于基于所述目标反应体系信息设定负载金属组分，确定目标负载金属表面模型，计算所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型；

44、基于所述目标反应体系信息确定目标载体表面模型，计算所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型；

45、基于所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型与所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型，构建负载型金属催化剂颗粒模型；

46、催化性能计算模块：用于计算所述负载型金属催化剂颗粒模型的本征反应动力学信息，根据所述本征反应动力学信息计算所述目标反应体系下所述负载型金属催化剂的催化性能信息。

47、本发明另一方面还提供一种存储介质，用于存储一种用于执行上述的负载型金属催化剂的仿真方法的计算机程序。

48、由以上方案可知，本发明的优点在于：

49、本发明提供的负载型金属催化剂的仿真方法，通过获取负载型金属催化剂的目标反应体系信息；基于所述目标反应体系信息设定负载金属组分，确定目标负载金属表面模型，计算所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型；以及基于所述目标反应体系信息确定目标载体表面模型，计算所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型；然后，基于所述目标负载金属表面模型各个晶面的热力学稳定表面模型与所述目标载体表面模型的热力学稳定表面模型，构建负载型金属催化剂颗粒模型，通过计算所述负载型金属催化剂颗粒模型的本征反应动力学信息，根据所述本征反应动力学信息计算所述目标反应体系下所述负载型金属催化剂的催化性能信息。该方法考虑了载体和负载金属组分的相互作用，能够模拟计算在接近实际反应环境中负载型金属催化材料的形态和反应行为，预测负载型金属催化材料的催化性能，提高催化材料的设计准确性和设计速度。