基于CP2K的高温下烷烃裂解分子动力学模拟

关键词：CP2K；烷烃；裂解；高温；分子模拟

在有氧气的情况下，物质在高温下发生的分解称为燃烧，而在没有氧气的情况下则称为热解。烷烃的质量越大，支链越多，热解的速率通常也会越大。烷烃的裂解涉及到C-C和C-H键的断裂，是自由基机理。本案例将通过CP2K软件实现烷烃的热解反应。

初始模型的构建

首先通过packmol软件将10个正葵烷插入到3*3*3 nm3的立方盒子中，输入文件如图1所示：

图1 packmol 输入文件

所构建的初始模型如图2所示：

图2 十条正葵烷分子链初始模型

在CP2K的输入文件中任务类型选择MD，理论方法采用GFN1-xTB，采用NVT系综，热浴采用CSVR，温度设为3500K（温度设置较高加快反应的进行），热浴TIMECON设为100，步数STEPS设为50000，步长TIMESTEP设为0.2，部分输入文件如图3所示：

图3 CP2K部分输入文件

可以看到，随着模拟的进行，经过10 ps后，正葵烷被裂解为大量的小分子碎片。如图4所示，体系中不存在完整的正葵烷分子链。

图4 模拟过程中正葵烷分子链的裂解情况

我们进一步考察体系中具有不同成键数的碳原子的数目变化（图5），可以看到，有100个C原子的成键数都是4，因为体系一开始所有的C原子都来自正葵烷，都属于sp3碳,10条正葵烷分子链总共是100个碳原子。随着模拟的进行，长链烃开始裂解，开始出现短链烃烷，烯烃和炔烃，因此C(4)逐渐减少，C(3)，C(2)逐渐增多。C(1)和C(0)主要来自于一些不稳定的分子碎片。从图6也可以看出，C-C键和C-H键在数目在反应过程中也在逐渐减少。

图5 模拟过程中具有不同成键数的碳原子的数目变化

图6 模拟过程中C-C和C-H键数目的变化

结语

本案例通CP2K成功实现了正葵烷分子链的热裂解反应，对于相关领域的研究人员和工程师来说，本案例提供了一个有力的工具，可以为解决实际问题提供理论依据和技术支持