复杂体系反应机理计算方法

课程编码：180210081704P3005H 英文名称：Computational methods for Reaction Mechanisms in Complex System 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业课 主讲教师：李晓霞等

本课程是一门涉及化工、能源与材料、分子模拟、计算机高性能计算、化学信息学等多学科综合交叉渗透的前沿课程。本课程以大规模反应分子动力学模拟方法发展与应用为主线，结合国内外主流软件、先进算法和高性能计算硬件，面向能源与材料领域等复杂过程反应机理揭示和动力学建模的难题，包括煤/生物质/废旧塑料利用、汽油催化提质、液体燃料和含能材料的燃烧等，介绍复杂体系反应分子动力学计算方法、典型应用、现有方法的局限和未来发展趋势。在计算机快速发展的今天，采用基于第一性原理的理论计算方法认识化工生产过程中每个分子的作用，对研发碳中和相关过程的调控新技术、新型燃料与/材料、催化剂等有重要意义。本课程可帮助学生学习ReaxFF MD模拟技能，建立综合利用多学科交叉的先进计算方法解决化工生产过程中的实际问题的理念。

无

第一章 复杂体系反应机理研究方法概述 3学时 李晓霞
第1节 复杂体系反应机理在化工中的重要性
第2节 复杂反应过程原位实验表征的困难
第3节 反应机理研究主流方法—量子化学的优势与局限
第4节 经典分子动力学模拟的特点
第5节 反应分子动力学(ReaxFF MD)方法的兴起
第二章 反应分子动力学模拟方法 6学时 郑默
第1节 分子动力学模拟的基本假设和概念
第2节 ReaxFF MD计算的基本框架
第3节 ReaxFF MD与经典MD的区别
第4节 ReaxFF力场势能项与经典分子力场的比较
第5节 ReaxFF力场13种势能项组成、力场 参数、及意义
第三章 ReaxFF MD具体算例实现方法 8学时 郑默
第1节 ReaxFF MD模拟具体算例的准备工作和实现流程
第2节 复杂体系模型构建：认识构建软件、注意事项、构建参数选择
第3节 复杂体系反应模拟技巧—参数设置、模拟策略等
第4节 复杂体系反应模拟技巧：如何在LAMMPS或其它MD软件上开始一次模拟
第5节 模拟结果详解：键级文件和轨迹文件
第6节 模拟结果反应分析
第四章 大规模ReaxFF MD方法发展 3学时 郑默
第1节 复杂体系反应机理模拟的挑战
第2节 基于图形处理器GPU的高性能计算：算法与实现
第3节 基于化学信息学的复杂体系反应机理深度分析：算法与软件
第五章 大规模ReaxFF MD在化工中的应用 3学时 郑默
第1节 煤的热解、气化、自燃、结焦、燃烧
第2节 可再生能源生物质热解
第3节 多种类不同来源木质素反应性比较
第六章 大规模ReaxFF MD在碳氢燃料和材料中的应用（一） 3学时 李晓霞
第1节 液体碳氢燃料热解与氧化 (单组分、替代燃料模型、多组分混合物、生物油)
第2节 不同液体燃料的反应性比较
第3节 基于机器学习优化液体燃料替代组分组成
第七章 大规模ReaxFF MD在碳氢燃料和材料中的应用（二） 3学时 郑默
第1节 高密度含能材料CL-20及其共晶体系的热解与自催化
第八章 ReaxFF MD在催化和其它应用 3学时 郑默
第1节 分子筛催化剂的应用：催化裂解、MTO
第2节 金属催化剂的应用
第3节 ReaxFF MD在生物体系的应用
第4节 在钢铁废水深度氧化中的应用
第九章 ReaxFF MD模拟方法局限与优势（一） 2学时 郑默
第1节 ReaxFF MD可及的时空尺度
第2节 ReaxFF MD局限与模拟策略：温度与规模的影响
第十章 ReaxFF MD模拟方法局限与优势（二） 1学时 李晓霞
第1节 可能的验证手段
第2节 ReaxFF MD：复杂体系反应性差异评估的新途径
第十一章 ReaxFF MD的方法前沿与发展趋势 3学时 李晓霞
第1节 ReaxFF力场参数分支与力场参数加工方法
第2节 与MD加速采样算法的耦合应用
第3节 基于机器学习获取骨干反应
第十二章 考试 2学时 郑默
第1节 考试

李晓霞1985年于清华大学化学工程系获学士学位，1988年在中国科学院过程工程所获硕士学位后留所，2006年后任研究员。曾从事化学数据库及有机物性数据预测工作,取得多项成果。曾系统研究互联网化学信息检索方法，负责建立了涵盖化学浅层网和深层网的集成检索平台，其中国家科学数字图书馆-化学门户ChIN运行多年, 是中国唯一被国际权威机构收录的系统，访问达数亿次；日本同行曾建立其日文版；被写入化学信息学教材。近年来提出了将GPU并行与化学信息学分析相结合的大规模反应分子动力学模拟新方法，负责建立了国际上首个基于GPU的ReaxFF MD 程序系统GMD-Reax 及国 际上首个ReaxFF MD 模拟的化学反应分析系统VARxMD, 大幅提升了ReaxFF MD 计算大规模分子模型的计算能力, 实现了模拟结果中复杂反应的直接分析，可揭示覆盖自由基生命周期的更为完整的反应网络。已应用于煤/生物质/高分子/含能材料热解及液体燃料热解和氧化的复杂反应机理的揭示。发表论文60余篇、获国家软件著作权8项。曾获中国科学院科技进步奖2项，北京市科学技术奖1项。曾任中国化学会计算机化学专业委员会副主任委员和秘书长和女化学工作者委员会委员、国际Chemical Structure Association Trust理事，曾任中国化工学会过程模拟与仿真专业委员会委员；目前任中国化学会燃烧化学专业委员会委员、CODATA中国委员会执委等。

郑默2010年毕业于厦门大学化学工程与工艺专业获学士学位，2015年毕业于中国科学院过程工程研究所获博士学位。郑默自主创建一套基于GPU的重质有机物大规模化学反应分子动力学模拟软件GMD-Reax，获得软件著作权；GMD-Reax和申请人团队开发的VARxMD均实现成果转化，已推广至国内主流高校、重点科研单位、及相关企业共20多家。申请人读博期间曾获国家奖学金和中科院过程所所长奖学金优秀奖，在2010研究所开学典礼和2015年毕业典礼代表研究生讲话；工作期间，于2020年在研究所“青年研究员”竞聘中脱颖而出；同年入选中国科学院青年创新促进会；2021年获中科院过程所“最佳科技转化奖”；2022年被选举为介科学研究部副主任郑默长期致力于化学反应分子动力学模拟ReaxFF MD方法的发展和在碳基固体能源的应用。该应用可从分子水平认识碳基固体能源在高温热解、燃烧等的化学反应机理，有望对能源转化过程的有效调控提供理论支持，并可拓展至其它复杂体系的反应机理认识。