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计算 与 案例
——【化工】
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【 化工 】 / Chemical
化学工业在国民经济中占有重要地位，是许多国家的基础产业和支柱产业。催化剂在化工生产中具有重要而广泛的应用，在化学反应中能改变化学反应历程，而本身的化学性质没有发生改变。例如，Fe催化剂可以降低通过N2与H2合成NH3反应的活化能，提高反应速率。在Cu催化剂的帮助下，化学性质稳定的CH4可以被转化为CH3OH。
· 在Fe催化合成氨反应过程中，N2分子先被催化剂吸附，从而削弱N-N之间的化学键，然后H不断地与N2分子作用，形成NH、NH2、NH3等各种中间产物，最后NH3分子脱附。密度泛函理论能够计算N2还原反应在不同路径下（distal、alternating、enzymatic等）各种中间体的结构、中间体与催化剂的相互作用、自由能变化等。通过这些结果能够判断反应的路径、活化能、决速步，并为催化剂优化提供理论指导。
· CH4氧化的反应路径与氧化剂还在不断地探索与优化。以H2O作为氧化剂为例，首先催化剂吸附CH4分子，从而活化C-H键，并提供O给CH4，然后H2O分子的加入使CH3OH脱附，再将O传递给催化剂，自身转变为H2并脱离催化剂。密度泛函理论能够计算CH4被吸附后的结构和脱H的能垒、H2O加入后CH3OH脱附的能垒、H2O转变为H2的自由能变化等。通过这些计算结果能够分析CH4转化为CH3OH的热力学与动力学障碍，为催化剂和氧化剂的筛选提供理论依据，从而有助于提高转化率。
· 吸附构型（adsorption structure）体现了被吸附原子、分子、基团与吸附剂（催化剂）表面活性位点结合的稳定构型。吸附构型是吸附与催化计算必不可少的结构信息，在此基础上能够获得自由能、吸附能、结合能、电荷转移、轨道杂化等重要性质。
· 氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）自由能变化表征了O2还原成H2O（4电子）或H2O2（2电子）及其逆反应的热力学和动力学过程，可分为酸性条件和碱性条件，均涉及到OH、O、OOH中间体的吸附。自由能曲线可通过外加电压和PH值调控，是衡量催化剂性能的重要指标。
· 析氢反应（HER）自由能变化表征了质子和电子吸附到催化剂表面结合成吸附态H（中间态）再脱附生成H2的热力学和动力学过程，可分为酸性条件和碱性条件。自由能曲线可通过外加电压或PH值调控，是衡量催化剂性能的重要指标。
· 二氧化碳还原反应（CO2RR）自由能变化表征了CO2还原成HCOOH、CO、CH4、CH3OH等产物的热力学和动力学过程，涉及到HCOO、CO、CH3O等多个中间体的吸附。自由能曲线可通过外加电压和PH值调控，是衡量催化剂性能的重要指标。
· 晶体轨道哈密顿占据数（COHP）表征了原子间电子轨道的交叠情况，包括成键与反键，与电子态密度结果有一定的关联。晶体轨道哈密顿占据数常用来描述催化剂活性位点与被吸附原子、分子间的相互作用，是衡量化学键强弱的工具，类似于分子中的键能。
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