Revealing chemical reactions of coal pyrolysis with GPU-enabled ReaxFF molecular dynamics and cheminformatics analysis

雷亚克夫 化学信息学 分子动力学 化学 计算化学 热解 纳米技术 材料科学 有机化学 原子间势
作者
Xiaoxia Li,Mo Zheng,Jian Liu,Guo Li
出处
期刊:Molecular Simulation [Informa]
卷期号:41 (1-3): 13-27 被引量:64
标识
DOI:10.1080/08927022.2014.913789
摘要

AbstractThe complex chemistry of coal pyrolysis is difficult to be captured by experimental techniques or simulated with the quantum mechanics computational methods. The emerging of both the large-scale coal models and the promising capability of reactive molecular dynamics (ReaxFF MD) motivated us to develop a new methodology by combining graphics processing unit (GPU)-enabled high performance computing with cheminformatics analysis in order to explore the coal pyrolysis mechanisms using ReaxFF MD. The methodology is rooted in two new software tools, GMD-Reax, the first GPU-enabled ReaxFF MD codes that make it practical to simulate large-scale models (∼10,000 atoms) on desktop workstations, and visualisation and analysis of reactive molecular dynamics (VARMD), the first software dedicated to analysis of detailed chemical reactions from the trajectories of ReaxFF MD simulation. With this methodology, reasonable product profiles and gas generation sequences of pyrolysis for bituminous coal models ranging from ∼1000 to ∼10,000 atoms (including the system with 28,351 atoms, one of the largest systems used in ReaxFF MD) have been obtained. The complex and detailed chemical reactions directly revealed by VARMD can provide further information on radical behaviours and their connection with pyrolysates. The methodology presented here offers a new and promising approach to systematically understand the complex chemical reactions in thermolysis of very complicated molecular systems.Keywords:: ReaxFF molecular dynamicsGMD-ReaxVARMDcoal pyrolysis simulationreaction mechanism AcknowledgementsThis work was supported by the grants from the National Natural Science Foundation of China [21073195], [21373227] and China's State Key Laboratory of Multiphase Complex Systems [MPCS-2012-A-05].

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