近日，我校物质学院杨波课题组在表面催化反应复杂网络优化的理论研究方面取得重要进展。该研究提出了一种基于贝叶斯误差分析泛函优化复杂催化反应网络，并进行反应机理不确定性分析的方法，为完整、可靠的理论催化机理研究提供了新的策略。该成果以“Propagating DFT Uncertainty to Mechanism Determination, Degree of Rate Control, and Coverage Analysis: The Kinetics of Dry Reforming of Methane”为题，在《The Journal of Physical Chemistry C》发表。该研究得到了编辑和审稿人的高度评价，入选为ACS Editors' Choice文章进行亮点报道，同时在美国化学学会网站作为头条新闻展示。
多相催化反应过程往往非常复杂，反应网络中常涉及多个中间物种和过渡态，仅100种物种和约200个基元步骤即可构成包含2000条以上的反应路径，若使用传统的通过列举路径进行研究等方法将很难准确快速完成。此外，基于密度泛函理论的催化研究所得结果具有一定误差，可能导致反应机理的错判，因此为了增加理论研究所得结论的可靠性，对这种误差所造成不确定性进行估计是很有必要的。本项工作首先提出了一种构建反应网络并利用微观动力学计算结果进行筛选以找到主要反应路径的流程，将上述流程应用于贝叶斯误差估计泛函所计算得到的多组能量中，最终利用统计分析，给出了不同温度条件下，各个机理、决速步骤发生的可能性。以甲烷干重整为模型反应，使用上述方法所得理论分析结果能够和实验结果很好地契合。
值得一提的是，课题组使用Python语言开发了基于上述方法的“CatNet”程序包，目前已有组内其他成员使用该方法研究更为复杂的催化体系。此程序包也将在完善接口和文档后开源，提供给理论催化的研究人员使用。
该论文中，物质学院2017级硕士研究生王宝川为第一作者， 2017级博士生陈姝樾、2015级本科生张家铭（现在密歇根大学攻读博士学位）分别为第二和第三作者，杨波教授为通讯作者，上科大为第一完成单位。研究中还获得了中国科学院上海高等研究院低碳转化中心及上科大-高研院低碳能源联合实验室李圣刚研究员的协助。该研究由国家自然科学基金重大研究计划培育项目及上科大启动经费等项目支持，相关计算在校图信中心高性能计算平台与上海超算中心完成。
ACS Editors' Choice是美国化学学会（ACS）推出的一项扩大刊物影响力的举措。该项目每天从所有ACS开办的期刊中选取一篇具有重大科学意义的优秀论文置于ACS主页上，相当于每天的头条或者主题文章。ACS旗下每个期刊的编辑团队要为“ACS Editors' Choice”窗口推荐论文，推荐选定的论文必须代表每个杂志所有论文的最高水平。入选的文章由美国化学会支持成为即时永久开放获取（Open Access）的论文，而无需论文作者付费。截至2019年12月18日，《The Journal of Physical Chemistry C》在2019年共发表了3235篇论文，入选该项目的论文仅有8篇，入选率低于0.5%。《美国化学会会志》（JACS）主编Peter J. Stang教授指出，编辑推荐的每一篇文章都应包含“使该领域的研究范式发生变革的一些新概念”（“new concepts that are paradigm-shifting in the field”）。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b08755
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