催化剂模型化设计有助于技术开发

通过创建计算模型，对催化剂及反应机理认识有了很大的提高。例如，利用密度泛函理论(DFT)能精确地描述催化剂表面分子间的相互作用，可完美地解释沸石催化剂效能。广义而言，试验和计算建模相结合，大大提高了对多相和均相催化剂结构及性能的认识。尽管如此，催化剂的开发在很大程度上还是采用试验的方法。理想的选择性和活性取决于催化剂组成、制备工艺、反应条件等其他众多因素。相关模型是利用开发过程中收集的数据来构建的。催化剂设计和开发的“指导模型”越来越多，但仍未达到有把握地使用分子模型，经过精准设计迅速地开发出商业催化剂。这种情形或许很快就会过去。

通过催化中心3D成像技术来改进分子模拟算法，研究人员能设计出催化剂。最近一期《自然化学》杂志发表的论文中，阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员介绍了他们开发的反应活性中心立体图像建模软件。这些图像类似于局部地形图。以彩色编码代表构成活性催化点位官能团的三维结构。活性中心附近每个原子的位置和元素信息通过结晶学获取，通常还要结合量子力学计算。研究人员将活性位点称作“催化穴位(catalytic pocket)”，也就是与反应物接触并发生反应的地方。催化剂特征数值描述可用于结构与反应活性、选择性关联。催化剂设计者和开发人员可以使用这个模型，通过修正催化剂化学和物理(结构)性质来改进催化剂。利用地形空间图加上DFT计算，可系统、快速地进行催化剂结构研究。KAUST研究人员表示，已有65个国家的科学家利用网络应用程序开发了地形空间图，提高催化剂的性能。