[发明专利]一种构建生物质焦炭分子模型的方法

说明书

本发明涉及生物质能技术领域，具体公开了一种构建生物质焦炭分子模型的方法，步骤如下：1）对仿真软件构建的生物质分子结构模型进行能量和几何优化；2）采用MS软件构建盒子，将优化后的生物质分子结构模型放入盒子中；3）采用MS软件对经步骤2）处理后的盒子进行能量、NPT优化，得到生物质3D分子结构模型；4）利用Lammps软件对生物质3D分子结构模型进行热解模拟，得到热解产物的分子片段；5）提取热解产物中焦炭的分子片段，采用MS软件构建盒子，将提取的焦炭分子片段放入盒子中，然后对盒子进行能量、NPT优化，得到生物质焦炭的3D分子结构模型。本发明方法操作简单，大大缩减构建木质素焦分子结构模型的工作量。

技术领域

本发明涉及于化学分子反应动力学和生物质能技术领域，具体涉及一种构建生物质焦炭分子模型的方法。

背景技术

我国生物质资源丰富且分布广泛，实现生物质能源的高效利用对优化我国能源结构、缓解能源危机将起到重要作用。生物质焦是生物质在惰性气氛下受热经过脱水、脱挥发分等一系列物理化学变化后形成的固体产物。生物质焦具有微孔结构丰富、比表面积大、吸附能力强等特性，使其具有广泛的用途：（1）含C量高而N、S含量低，可作为优质燃料；（2）具有较强的物理吸附特性，可用于生产活性炭；（3）具有一定的催化作用，可用作化学工业的催化剂或催化剂载体。另一方面，随着计算机技术的飞速发展，对生物质焦气化、吸附以及催化研究领域的分子模拟研究备受关注。构建合理的生物质焦分子模型是从分子层面上研究生物质焦气化、吸附以及催化等领域的基础。在较高热解温度下，生物质中的纤维素和半纤维素组分几乎可完全分解，生物质焦主要是由木质素热解得到的固体产物。因此，木质素焦在一定程度上能够代表生物质焦的物理化学特性。目前，已有较多学者提出了木质素分子模型，例如Adler、Freudenberg、Nimz模型等，而木质素焦分子模型鲜有报道。

目前，构建生物质焦分子模型的主要方法如下：首先，惰性气氛下对生物质进行热解得到生物质焦样品；然后，对焦样进行高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）表征，获得焦的基本微观结构信息，如焦微晶结构、芳香结构参数、堆垛结构特征等；最后，通过Fringe3D程序读取芳香结构单元的位置、角度、碳原子数等信息，获取焦芳香烃结构单元分子模型。然而，采用这种方法构建生物质焦模型存在两个方面的局限性：首先，该方法提出的芳香烃堆垛结构建模方法是一种简化方法，忽略了随着碳环结构增大可能导致的C-C化学键长度的变化；芳香结构单元简化为“薄片”结构而忽略其可能的三维变化；在Fringe3D程序建模阶段未考虑弯曲结构、交链结构、脂肪链结构及有机杂原子。其次，生物质焦是生物质经过热化学转化而来，不同种类的生物质衍生得到的焦结构不同，同一种生物质在不同的热解工艺条件下所获得的焦特性也会有较大差异。因此，采用已有方法构建的生物质焦模型并不能全面的描述生物质焦的物理化学结构特性，也难以体现不同热解工艺条件对焦结构的影响。

近年来，计算机模拟技术发展迅速，其中基于ReaxFF反应力场的分子动力学方法（ReaxFF MD）结合了量子化学和传统分子动力学方法的优势，不仅可以用来模拟复杂体系的化学反应过程且无需预设反应路径，还能体现温度、压力、气氛等条件的影响，为从分子层面上研究生物质热转化提供了可能，已经得到了广泛应用。因此，我们提出一种基于ReaxFF MD方法的木质素焦分子模型构建方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种构建生物质焦炭分子模型的方法。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种构建生物质焦炭分子模型的方法，包括以下步骤：

（1）对仿真软件构建的生物质分子结构模型进行能量和几何优化，得到优化后的生物质分子结构模型；

（2）采用Material Studio软件中的Amorphous Cell模块构建盒子，将优化后的生物质分子结构模型放入盒子中；