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近日，上海科技大學物質學院楊波課題組在表面催化反應復雜網絡優(yōu)化的理論研究方面取得重要進展。該研究提出了一種基于貝葉斯誤差分析泛函優(yōu)化復雜催化反應網絡，并進行反應機理不確定性分析的方法，為完整、可靠的理論催化機理研究提供了新的策略。該成果以“Propagating DFT Uncertainty to Mechanism Determination, Degree of Rate Control, and Coverage Analysis: The Kinetics of Dry Reforming of Methane”為題，在《The Journal of Physical Chemistry C》發(fā)表。該研究得到了編輯和審稿人的高度評價，入選為ACS Editors' Choice文章進行亮點報道，同時在美國化學學會網站作為頭條新聞展示。

多相催化反應過程往往非常復雜，反應網絡中常涉及多個中間物種和過渡態(tài)，僅100種物種和約200個基元步驟即可構成包含2000條以上的反應路徑，若使用傳統(tǒng)的通過列舉路徑進行研究等方法將很難準確快速完成。此外，基于密度泛函理論的催化研究所得結果具有一定誤差，可能導致反應機理的錯判，因此為了增加理論研究所得結論的可靠性，對這種誤差所造成不確定性進行估計是很有必要的。本項工作首先提出了一種構建反應網絡并利用微觀動力學計算結果進行篩選以找到主要反應路徑的流程，將上述流程應用于貝葉斯誤差估計泛函所計算得到的多組能量中，最終利用統(tǒng)計分析，給出了不同溫度條件下，各個機理、決速步驟發(fā)生的可能性。以甲烷干重整為模型反應，使用上述方法所得理論分析結果能夠和實驗結果很好地契合。

值得一提的是，課題組使用Python語言開發(fā)了基于上述方法的“CatNet”程序包，目前已有組內其他成員使用該方法研究更為復雜的催化體系。此程序包也將在完善接口和文檔后開源，提供給理論催化的研究人員使用。

該論文中，物質學院2017級碩士研究生王寶川為第一作者， 2017級博士生陳姝樾、2015級本科生張家銘（現(xiàn)在密歇根大學攻讀博士學位）分別為第二和第三作者，楊波教授為通訊作者，上科大為第一完成單位。研究中還獲得了中國科學院上海高等研究院低碳轉化中心及上科大-高研院低碳能源聯(lián)合實驗室李圣剛研究員的協(xié)助。該研究由國家自然科學基金重大研究計劃培育項目及上科大啟動經費等項目支持，相關計算在校圖信中心高性能計算平臺與上海超算中心完成。

ACS Editors' Choice是美國化學學會（ACS）推出的一項擴大刊物影響力的舉措。該項目每天從所有ACS開辦的期刊中選取一篇具有重大科學意義的優(yōu)秀論文置于ACS主頁上，相當于每天的頭條或者主題文章。ACS旗下每個期刊的編輯團隊要為“ACS Editors' Choice”窗口推薦論文，推薦選定的論文必須代表每個雜志所有論文的最高水平。入選的文章由美國化學會支持成為即時永久開放獲取（Open Access）的論文，而無需論文作者付費。截至2019年12月18日，《The Journal of Physical Chemistry C》在2019年共發(fā)表了3235篇論文，入選該項目的論文僅有8篇，入選率低于0.5%?！睹绹瘜W會會志》（JACS）主編Peter J. Stang教授指出，編輯推薦的每一篇文章都應包含“使該領域的研究范式發(fā)生變革的一些新概念”（“new concepts that are paradigm-shifting in the field”）。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b08755