Materials Studio官方教程：Cantera模块—研究表面反应【上】
发布时间：2025-08-12 18:22 浏览量：1
目的：介绍Cantera模块在表面多相催化中的应用，并说明得到表面体系反应机理的过程。
所用模块：Materials Visualizer、Cantera、DMol3（仅使用分析功能，可选）
前提条件：无
背景
多相催化是化学中最基本的过程之一。要理解它，不仅需要从原子水平上理解潜在的反应速率，而且需要一种可以将表面和气相反应机制集成的研究工具。Materials Studio的Cantera结合DMol3模块提供了此类工具。
在本教程中，将使用DMol3进行一系列密度泛函理论计算，并在Cantera模块中使用这些结果。使用了一个近似模型来研究在RuO2(110)表面上CO的催化氧化(Reuter et al., 2004)。将着重于研究吸附和脱附过程，但忽略表面上的扩散过程。
该表面上的反应发生在钌原子上，钌原子排列成分离的行。表面上有两种不同类型的钌原子（称为桥位和cus位），导致产生两组吸附位点和反应物和产物相似的众多反应。我们将在Materials Studio Cantera模块中详细讨论如何处理这种情况。
在本教程开始时，将在Cantera数据表中使用部分完整的反应机制，并学习如何生成表面反应机制。然后，将使用此机制在两个不同的反应模型上执行计算。
介绍
本教程包括如下部分：
开始
使用反应编辑器Reaction Editor修改Cantera输入数据
设置Cantera表面平衡计算参数
设置Cantera推流式反应器计算参数
注意：为了确保您可以完全按照预期的方式学习本教程，您应该使用“设置管理器（Settings Organizer）”对话框确保项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新项目。
打开New Project对话框，输入surface作为项目名，单击OK按钮。
新项目将以surface为项目名显示于Project Explorer中。
单击“导入Import”按钮
打开 Import Document对话框。导航到Examples\Cantera\Surface Reactions文件夹并导入RuO2_surface_incomplete.std数据表文档。
单击Modules工具栏上的Cantera按钮
选择Reaction Editor或从菜单栏中选择Modules | Cantera | Reaction Editor。从Study table下拉列表中选择RuO2_surface_incomplete.std。
选择数据表的Reference表单，双击Structure列中的O2Ru_surface单元。
将显示氧化钌的表面模型。
在RuO2(110)表面最顶层，有两排不同的非等效钌原子。五配位钌原子位于氧原子正上方，并与顶层的另外四个O原子结合。将此吸附位置称为cus位置。四配位钌原子与顶层的两个氧原子和下层的两个氧原子结合。称之为桥位。在每个表面单位晶胞中，均含有一个这两种类型的吸附位置。在本教程中，Materials Studio和Cantera可以区别这两种不同的吸附位置，从而在反应机制和模拟计算中保留正确的表面结构。
打开Cantera Reaction Editor对话框时，可自动解释数据表详细信息视图的内容。在Reference species部分中，得到了8.41×10-10 mol/cm2的表面位置密度Surface site density，该密度是根据体系初级胞的表面积计算得出的。在该情况下，每个表面单位晶胞有两个吸附位点。这意味着RuO2_surface_incomplete.std数据表Reference选项卡上的表面位置密度Surface site density应为Reaction Editor自动计算值的两倍。
选择数据表的Reference表单，定位至表面位置密度（mol/cm/cm）Surface site density (mol/cm/cm)列。检查此列中的值是否是Cantera Reaction Editor对话框中的值的两倍。
在Cantera Reaction Editor对话框的Reactions and structures部分中，将该体系识别为衬底，并命名为桥位bridge。数据表的化合物选项卡中实际上包含相同结构的两个副本（桥位和cus位），对应于RuO2表面上的两个可能吸附位置。选择这两种结构中的一种作为该化合物的建议名称。
注：Reactions and structures列表中的Add列值为No，这是因为该化合物已存在于数据表中。
关闭数据表详细信息视图。
2、使用Reaction Editor修改Cantera输入数据
数据表缺少反应：
打开Import Document对话框并导入文件COcus+Obridge.xod。
导入的收集文档包含缺少的反应。首先需要计算速率常数。
单击模块工具栏上的DMol3按钮，然后选择Analysis或从菜单栏中选择Modules |DMol3 | Analysis。
从列表中选择“反应动力学Reaction kinetics”。
将温度范围temperature range设置为从From：200 K至To：6000 K。
单击Calculate，并关闭对话框。
创建了一个名为COcus+Obridge.std的数据表，其中包含有关反应的信息。
检查新的研究表，确保反应速率参数的拟合值合理。例如，修正的Arrhenius方程的拟合活化能Ea应为正值，且具有正确的标度，接近20 kcal/mol。
在Graphs选项卡上，选择F-H、K和L列。单击Quick Plot按钮以获取该反应的计算和拟合速率图。
选择数据表中的Structures选项卡，并检查Structures列中的不同文档。
第一行包含原始收集文件的副本，第二行和第三行包含单独的反应物Reactant和产物Product结构。Cantera Reaction Editor无法直接导入这两个结构：反应物是一个具有两个运动基团的表面，而产物是表面上方的气相分子，都需要对化合物进行单独计算。
提示：在某些情况下，可能只有过渡态、反应物和产物为单独的3D原子文档。按照DMol3部分联机帮助中有关如何从原子数据创建收集文档的说明进行操作，这些数据仍然可以导入到Cantera数据表中。
在Cantera Reaction Editor对话框中查看Reactions and structures列表。
其中包含反应所需结构。列表中的Add列值为NA，因此不能将化合物作为反应所需结构导入。
注：吸附的一氧化碳分子命名为CO@bridge，对应于Cantera Reaction Editor对话框在数据表中所找到的结构。Cantera Reaction Editor对话框可以检测表面上的分子，但无法区分不同的吸附位置。
在导入反应之前，必须手动修改。
在Cantera Reaction Editor对话框的Reactions and structures列表中，将一氧化碳化合物的名称Name从更改为CO@bridge到CO@cus.
单击Import按钮。
Cantera将提示错误信息。
该文件必须包含分子的振动数据。所需文件可以是在过渡态搜索的过程中创建的。
通过选中DMol3 Reaction Kinetics对话框上的“计算子体系Calculate subsystems”复选框，此结构可以自动输入到DMol3反应动力学计算任务中，但这可能会产生大量计算成本。因此，该例中将以单个文件的形式给出吸附化合物。
单击Import按钮，打开Import Document对话框并导入文件CO@RuO2_110_cus.xsd。原子结构文件中定义了与吸附质完全对应的HessianAtoms集合。
在Cantera Reaction Editor对话框中，该化合物被识别为一个名为CO25Ru12_surface的表面，可以将其作为新衬底材料添加到数据表中。
然而，Cantera无法将其识别为在表面上的吸附质，这意味着它无法正确解释化学式或自由能。为了清楚地区分吸附质，必须为CO分子定义一个运动基团。旋转结构并选择HessianAtoms集合中的CO原子。
选择Modify | Motion Groups以打开Motion Groups对话框，然后单击Create从当前选择的原子创建 。关闭对话框。
现在已经定义了分子，但是Reaction Editor对话框不会自动跟随3D源自文档中的更改，需要重新读取其内容。这可以通过改变当前文档并返回到原始文档来实现。
将RuO2_surface_incomplete.std数据表文档设为当前文档，然后将CO@RuO2_110_cus.xsd文件设为当前文档。在Cantera Reaction Editor对话框的Reactions and structures部分，名称Name现在已更改为CO@bridge，类型type是MS（表面上的分子）。
这意味着Cantera正确地解析了该结构，并识别出具有相同化学成分的化合物已经存在于名为CO@bridge数据库中。
在这种情况下，Reaction Editor将不会导入化合物并将其添加到反应机制中。如上所述，在该结构中CO分子被吸附在cus位点上，因此需要在导入化合物之前明确地添加这些信息。在Cantera Reaction Editor对话框的Reactions and structures部分，将名称Name更改为CO@cus。确认Add列的值现在已更改为Yes。
单击Import按钮。现在得到了所有需要的气相和表面相物质，可以再次尝试导入反应。使得COcus+Obridge.std文件为当前文档。
在Cantera Reaction Editor对话框的Reactions and structures部分，确保反应引用CO@cus化合物，如果没有，请相应选择名称Name进项更改。单击Import按钮。新反应即被添加到Reactions表单。
可观测到通过在生成物一侧添加两个表面单位晶胞，使得反应自动平衡。默认情况下，Cantera Reaction Editor仅识别一种衬底物质，并在必要时应用该物质。然而，我们导入的反应包含两个可能的表面位点。
为了确保Cantera不会改变表面形貌，我们必须手动编辑反应方程式，以给出校正后的产物。选择RuO2_surface_incomplete.std数据表文档，并确保Reactions表单处于当前状态。在最后一行中，将等式更改为CO@cus + O@bridge bridge + cus + carbon_dioxide。
最后，我们需要确保新修改的数据表中的数据没有不一致的情况。在Cantera Reaction Editor对话框中，单击Validate按钮。
如果验证成功，请关闭对话框。如果有任何错误消息，请查看数据表和上面的说明以解决问题，然后使得它成功通过验证。在Project Explorer中，将文档RuO2_surface_incomplete.std重命名为RuO2_surface.std。
保存并关闭所有文档，并在出现提示时保存所有文件。注：选择该反应是为了演示复杂反应的导入过程。实际上，大多数反应应该更简单。
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