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微孔-介孔材料中气体吸附、扩散及催化转化过程的分子模拟研究的任务书
任务书
一、课题背景
随着环保意识的增强，新能源、清洁能源的发展逐渐成为了全球的一个趋势。多数清洁能源技术需要使用新型催化剂或吸附剂以实现高效转化或分离，因此研究催化剂和吸附剂的性能及其与气体分子之间的相互作用具有重要意义，这也是近年来分子模拟研究中一个重要的热点。
在实际应用中所使用的催化剂或吸附剂多是多孔材料。对于多孔材料，气体分子在其中的吸附、扩散、催化转化的分子机理研究，可以帮助人们更深入地了解现有材料的性能，并为新型催化剂或吸附剂的设计提供基础知识。微孔-介孔材料是一类孔径范围从几个纳米到数十纳米的多孔材料，因其表面积大、孔径多种多样，并且易于合成，所以在多种领域具有广阔的应用前景。
二、研究内容
本次分子模拟研究的主要任务是在三维微孔-介孔材料结构的基础上，利用分子动力学（MD）模拟方法，对气体分子在微孔-介孔材料中的吸附、扩散、催化转化等过程进行模拟研究，包括以下内容：
1.建立三维微孔-介孔材料的模型，并确定模型的孔径、孔体积、表面积等参数；
2.利用氩、氢、二氧化碳、甲烷等在工业领域中常见的气体分子作为系统的模拟对象，在模拟条件下测试它们在多孔材料中的吸附性能，包括吸附等温线、平衡吸附量等；
3.研究气体分子在微孔-介孔材料中的扩散性质，并给出气体分子在可控压力下的扩散系数；
4.在吸附或扩散状态下，针对模拟体系中存在的反应物（如微孔-介孔材料的表面活性中心或吸附分子等），研究氧化还原、氢气燃烧等催化反应的基本原理以及其动力学性能。
三、研究意义
本次分子模拟研究的目的是探讨在微孔-介孔材料中气体分子的吸附、扩散及催化转化过程，并建立相应的计算模型，从而为微孔-介孔材料的需求定制提供了一种新的设计思路。由此可以预期，该研究成果的应用具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面：
1.帮助人们更深入地了解微孔-介孔材料的催化和吸附性能，为其优化设计提供技术指导；
2.通过模拟气体在多孔材料中的吸附过程，有利于优化吸附性能，提高气体分离、纯化等处理过程的效率；
3.在多孔材料中模拟气体分子的动力学过程，有助于探讨反应体系中微观机理，从而更好地实现对反应过程的控制；
4.本次研究成果也可为相应领域的工业生产提供理论指导和技术支持。
四、研究方法
1.建立三维微孔-介孔材料的模型；
2.在分子动力学（MD）模拟软件包中编写程序，采用封装盒（periodicboundarycondition）的模拟方式进行研究；
3.首先进行吸附实验，得到气体分子在多孔材料中的物理性质，包括吸附等温线、平衡吸附量等，通过模拟这些性质进行验证；
4.模拟气体分子在多孔材料中的扩散性质和催化转化过程，对模拟结果进行统计分析。
五、预期成果
通过上述研究方法，可以得到以下预期成果：
1.建立微孔-介孔材料的三维模型，包括孔径、孔体积、表面积等参数；
2.研究气体分子在微孔-介孔材料中的吸附、扩散、催化转化等过程，并对气体在材料中的行为进行模拟；
3.提出微孔-介孔材料的合理设计方案，为该领域未来开展实验提供指导。
六、进度安排
本项研究预计历时一年，进度安排如下：
2022年7月-8月：建立微孔-介孔材料的三维模型，并确定模型参数；
2022年9月-11月：在模拟条件下研究气体分子在微孔-介孔材料中的吸附和扩散等性质，并进行统计分析；
2022年12月-2023年2月：模拟气体分子在微孔-介孔材料中的催化转化过程，分析反应机理以及其动力学性质；
2023年3月-5月：撰写研究报告，并进行成果汇报。
七、经费预算
本项研究预计需经费30万元，包括硬件、软件和人员开支等。其中，硬件费用包括计算机、实验设备等，约需15万元；软件费用为MD分子模拟软件和计算机语言软件等，约需5万元；人员开支包括研究人员、助理等，约需10万元。