催化劑模型化設計有助于技術開發

通過創建計算模型，對催化劑及反應機理認識有了很大的提高。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，試驗和計算建模相結合，大大提高了對多相和均相催化劑結構及性能的認識。盡管如此，催化劑的開發在很大程度上還是采用試驗的方法。理想的選擇性和活性取決于催化劑組成、制備工藝、反應條件等其他眾多因素。相關模型是利用開發過程中收集的數據來構建的。催化劑設計和開發的“指導模型”越來越多，但仍未達到有把握地使用分子模型，經過精準設計迅速地開發出商業催化劑。這種情形或許很快就會過去。

通過催化中心3D成像技術來改進分子模擬算法，研究人員能設計出催化劑。最近一期《自然化學》雜志發表的論文中，阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的研究人員介紹了他們開發的反應活性中心立體圖像建模軟件。這些圖像類似于局部地形圖。以彩色編碼代表構成活性催化點位官能團的三維結構。活性中心附近每個原子的位置和元素信息通過結晶學獲取，通常還要結合量子力學計算。研究人員將活性位點稱作“催化穴位(catalytic pocket)”，也就是與反應物接觸并發生反應的地方。催化劑特征數值描述可用于結構與反應活性、選擇性關聯。催化劑設計者和開發人員可以使用這個模型，通過修正催化劑化學和物理(結構)性質來改進催化劑。利用地形空間圖加上DFT計算，可系統、快速地進行催化劑結構研究。KAUST研究人員表示，已有65個國家的科學家利用網絡應用程序開發了地形空間圖，提高催化劑的性能。