Molekulare Simulation der Wechselwirkung von Diffusion und Reaktion in porösen Medien

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Obwohl Diffusions/Reaktionsphänomene von überragender Bedeutung für die Katalyse in porösen Trägern sind, gibt es nur wenige Arbeiten die sich mit diesem Problem auf molekularem Niveau umfassend beschäftigen. Bisher bestehen im Wesentlichen zwei getrennte Arbeitsrichtungen, nämlich einerseits quantenmechanische Berechnungen von Reaktionspfaden am aktiven Zentrum und andererseits molekülmechanische Simulationen von Diffusionsvorgängen. Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, diese Gebiete zusammenzuführen. Es soll die Wechselwirkung zwischen der Diffusion von Reaktanten und Produkten und chemischen Reaktionen untersucht werden, wobei konsequent Daten aus molekularen Simulationen verwendet werden, beginnend mit DFT- und ab-initio-Rechnungen über Moleküldynamik (MD), kinetischen Monte Carlo-Simulationen (kMC) bis hin zu mesoskopischen Simulationen und Reaktorberechnungen. In der ersten Förderperiode wurde ein wesentlicher Fortschritt in der quantenchemischen Berechnung der Reaktionspfade des N2O-Abbaus mit NO-Beteiligung an mononuklearean Fe-Zentren in Fe-ZSM-5 erzielt. Außerdem wurde ein Reaktionsmechanismus des N2O-Abbaus auf dinuklearen Eisenzentren in Fe-ZSM-5 aufgestellt und mit Hilfe von mikrokinetischer Modellierung validiert. Die Ergebnisse dazu sind bereits veröffentlicht bzw. befinden sich im Druck. Im Rahmen dieser Projekte wurde ein sehr zuverlässiges Verfahren zur Berechnung von Übergangszuständen in chemischen Reaktionen entwickelt, das bereits in mehreren kommerziellen Programmen eingesetzt wird (QChem 3.0, Chemshell, VASP). Außerdem wurden Wechselwirkungspotentiale für N2O und O2 zur Verwendung in klassischen Simulationen optimiert. Eine Veröffentlichung dazu ist in Vorbereitung. Zur effizienten Berechnung von Reaktionsgleichgewichten in Poren wurde die „Reactive Monte Carlo Methode mit der „Configurational-bias Monte Carlo Methode kombiniert. Als Anwendungsbeispiel wurde die Propen Metathese in Zeolithen untersucht. Die Ergebnisse dazu sind bereits veröffentlicht.