Molecular Dynamics with Chemical Accuracy─Alkane Adsorption in Acidic Zeolites

烷烃 吸附 催化作用 化学 钙长石 密度泛函理论 沸石 分子动力学 热力学 物理化学 八角石 有机化学 计算化学 物理
作者
Fabian Berger,Marcin Rybicki,Joachim Sauer
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (3): 2011-2024 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05493
摘要

For the adsorption of methane to hexane on acidic zeolites with varying pore sizes (Socony Mobil-5 (MFI), chabazite (CHA), faujasite (FAU)) and Brønsted acid site concentrations, heats of adsorption are predicted. The widely applied "standard model" of computational catalysis, density functional theory with some account of dispersion (DFT-D) and the harmonic approximation for local sampling of the potential energy surface (PES), leads to a large mean absolute deviation (MAD) from experiment of 17.2 kJ mol–1, far outside chemical accuracy limits (±4 kJ mol–1). Passing either to molecular dynamics (MD) at the DFT-D level or to wave function-based electron correlation methods (second-order Møller–Plesset perturbation theory ─ MP2) for energies at local minimum structures reduces the MAD to 8.7 and 5.9 kJ mol–1, respectively, still outside the chemical accuracy range. We present MD simulations on an MP2 quality PES, which strongly reduces the MAD to 1.9 kJ mol–1. This has been achieved by finding two descriptors for the MP2–DFT-D energy differences, which reduces the total number of required MP2 calculations to only 36 and, hence, the computational demand by several orders of magnitude. The predicted heats of adsorption at reaction temperatures (650 K) support experimental results derived from spectroscopic measurements. They show that the observed decrease of experimental apparent barriers from propane to pentane for alkane cracking in MFI (28 kJ mol–1) is largely due to increasing adsorption strengths (21 kJ mol–1) and to a much smaller extent to decreasing intrinsic barriers (7 kJ mol–1).
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