反应-传递密度泛函理论的构建与应用

Reaction-transportation coupling phenomenon widely exists in chemical process where the explanations and predictions are important issues in the designing of chemical process and chemical plant installations. Withal, current quantum mechanics/molecular mechanics theory and the reaction-diffusion equation theory have their own defect. This project will construct the reaction-transportation density functional theory by combing the reaction kinetic model and the classical time-dependent density functional theory and will apply it to real chemical process. The introduction of classical time-dependent density functional theory will enable the project to commendably explain and predict numerous reaction-transportation process including interfacial catalysis, pseudo-capacitance, crystal growth and so on. In a theoretical view, reaction-transportation density functional theory is not only the important link among mass transport, heat transport, momentum transport and reaction engineering but also the key steps to extend classical density functional theory to chemical reaction field. In an application view, the reaction-transportation density functional theory could reveal the structure-activity relationship between chemical plant installations and reaction-transportation process, and guide the evolution and designing of chemical process and chemical plant installations. Accordingly, this project has both theoretical and practical significance.

反应-传递耦合现象广泛存在于化工过程中，对其的解释和预测是化工过程和化工装置设计中的重要课题。对此，现有的量子力学/分子力学理论和反应扩散方程理论均有其各自的缺陷。本项目拟结合反应动力学模型和经典动态密度泛函理论构建反应-传递密度泛函理论并将其应用于实际化工过程。经典动态密度泛函理论的引入将使本项目能很好地解释和预测包括界面催化、赝电容、晶体生长等在内的诸多界面反应-传递过程。从理论的角度来说，反应-传递密度泛函理论既是联系化工“三传一反”体系的重要环节也是经典密度泛函理论向化学反应领域推广的关键步骤。从应用的角度来说，反应-传递密度泛函理论能揭示化工装置和反应-传递过程间的构效关系，指导化工过程和化工装置的改良和设计。因此，本项目同时具有重大的理论和实际意义。

反应-传递耦合现象广泛存在于化工过程中，对其的解释和预测是化工过程和化工装置设计中的重要课题。传统化工理论主要针对宏观体系，不适用于纳微尺度的表界面过程。对此，本项目通过结合动态密度泛函理论和反应动力学方程建立了反应-传递密度泛函理论。该理论有较好的普适性和较为简洁的数学形式，较量子力学/分子力学方法更为实用，较传统反应扩散方程理论更为精确。在模型优化方面，提出“反应-传递化学势”的概念，将稳态反应-传递过程等效为平衡态处理，利用发展较为成熟的平衡态算法大幅缩减了模型的计算复杂性；提出双模型近似方法，以较小的计算开销解决了复杂结构分子的自由能模型问题，拓广了经典密度泛函的应用范围。理论应用方面，将所建立的方法应用于NO催化氧化、NH3分解、金属腐蚀等实际反应-传递过程，计算结果验证了理论的正确性，揭示了实际反应-传递过程中的构效关系和多尺度反应/传递耦合机制；应用动态密度泛函理论研究了纳米液滴的结晶和聚并过程，揭示了纳微尺度下的多相传质/相变机理以及材料形成过程中的纳微动力学机制，既为反应-传递密度泛函在多相体系中的拓展提供了基础亦为纳米团簇的定向合成和化工过程设计提供了理论支持。发表标注有本项目资助的SCI论文19篇，其中包括化工三大期刊9篇，获软件著作权1项，培养博士研究生5人，硕士研究生8人。