科技日报记者 刘园园
记者10月27日从西湖大学获悉，该校人工光合作用与太阳能燃料中心王涛副教授团队近日成功揭示电催化三相界面跨尺度过程的复杂耦合机制，通过自主研发的多尺度动力学模拟平台MuKiP，在计算机里准确模拟了真实的催化反应。
“目前已有大量理论研究在原子分子层面有效模拟了电极表面上的催化反应机理。这类计算可以精细到几十甚至上百个原子，但真实的电化学反应远比其复杂。”王涛介绍，如果仅按预先设定的初始反应条件进行理论计算，获得的模拟结果可能与真实电化学反应大相径庭。
研究团队希望融合电化学恒电势、微观动力学以及连续介质传输模型等不同尺度的理论模拟，搭建一套耦合多尺度反应过程的计算程序，在计算机中准确推演真实电化学反应。
然而，电化学恒电势模拟、微观动力学模拟、连续介质传输模拟三个层面的方法相互独立，如何实现有效耦合没有现成答案。研究过程中，团队成员寿卫强发现，局域微环境中反应物的浓度可以作为桥梁，在微观动力学模拟与传质模型之间迭代交换信息，实现不同尺度模拟的有效耦合。
在程序开发上，基于开源代码进行补丁式开发显然无法满足需求，团队最终决定重新设计程序架构。团队成员柳雍华构建了约15000行核心代码且涵盖模块化架构的MuKiP平台，并提出了取样—扩展算法。利用该算法，计算机不必每次都从头猜起，而是利用已有结果，帮助附近的点进行求解。测试显示，其计算速度达到传统方法的5至22倍，而且所有测试点均成功求解。
研究中，团队以金属电极为模型体系，系统模拟了不同条件下的催化反应性能，并与已有实验数据进行比较。结果显示，模拟得到的电流变化、产物选择性等信息，与实验结果在定性上保持一致。
下一步，研究团队将进一步扩展这个多尺度模拟平台的功能，将电极结构、阴离子交换膜中的离子传输、流动的电解液等都纳入模拟框架。更进一步，王涛希望，未来面对一种催化剂，研究者不必完全依靠一次次实验摸索，就能通过该平台找到影响其表现的关键因素，从而帮助科学家判断下一次实验应该怎样做。
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