SPP 1155: Molekulare Modellierung und Simulation in der Verfahrenstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das vorliegende Schwerpunktprogramm SPP1155 gehört inhaltlich zur DFG-Projektgruppe „Vom Molekül zum Material“. Wesentliches Ziel war die Einführung molekularer Methoden in die Verfahrenstechnik. Die Arbeitsschwerpunkte wurden auf drei Arbeitsgruppen aufgeteilt: prädikative Stoffendatenmodelle, Prozesse an Fluid-Feststoff-Grenzflächen und Prozesse in porösen Medien. Bei den prädikativen Stoffdatenmodellen wurden Stoffsysteme bearbeitet, die nicht mit den bekannten Zustandsgleichungen beschrieben werden können, wie z. B. kochkonzentrierte ionische Lösungen, Mischungen, die Wasserstoffbrücken ausbilden, oder Tensidlösungen. Ein weiteres wichtiges Problem war die Beschreibung der Keimbildung und des Keimwachstums. Diese Phänomene treten in vielen technischen Prozessen bei Kondensation, Verdampfung oder Kristallisation auf. In diesen Arbeitsschwerpunkten konnten erhebliche Fortschritte erzielt werden, so z. B. die wesentlich verbesserte Parametrisierung von Kraftfeldern für ionische Lösungen mittels Daten aus der COSMO-Methode und anderen quantenchemischen Verfahren. Dadurch wird eine wesentlich genauere Berechnung von ionischen Dampf/Flüssigkeitsgleichgewichten ermöglicht. Polare und assoziierende Flüssigkeitsmischungen konnten durch eine erweiterte PC-SAFT-Zustandsgleichung mit hoher Genauigkeit beschrieben werden. Eine neue Nichtgleichgewichtsmethode im Rahmen der Molekulardynamik ermöglicht die Berechnung der thermischen Leitfähigkeiten von Polymermischungen. Mehrere Projekte führten zur erfolgreichen Beschreibung von Keimbildungsphänomenen in homogener und heterogener Phase. Im Arbeitsschwerpunkt über Vorgänge an Fluid-Feststoff-Grenzflächen sollten Adsorptionsisothermen aus der Gas- bzw. Flüssigkeitsphase beschrieben werden. Es konnte eine Methode der mittleren Kräfte für die Beschreibung der Adsorption auf Feststoffoberflächen aus verdünnten Lösungen entwickelt werden. Die Reaktionspfade der Bildung von SiO2 und dessen Wachstum aus SiH4 wurden mittels quantenchemischer Methoden gefunden. Ein umfangreicher Arbeitsschwerpunkt beschäftigte sich mit Vorgängen in porösen Medien. Hier sollten Phänomene der Multikomponentenadsorption, Diffusion und Reaktion untersucht werden. Ein entwickeltes mehrstufiges quantenchemisches Hybridverfahren erlaubt die Berechnung von Energiebarrieren für Reaktionen in großen chemischen Systemen mit chemischer Genauigkeit. Am Beispiel der Alkylierung von Benzol konnte eine Multiskalenmethode entwickelt werden, die ausgehend von der Berechnung der Reaktionen am aktiven Zentrum eine konsistente Modellierung bis zum Reaktor ermöglicht. Außerdem wurde ein hybrides Einbettungsschema für polare kovalente Materialien entwickelt. Untersuchungen zur sog. Molecular Traffic Control (MTC) zeigten eine deutliche Steigerung des molekularen Umsatzes am Beispiel einer Isomerisierungsreaktion in Zeolithen mit der entsprechenden Porenstruktur.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Solubility of CO2, CO, and H2 in the ionic liquid [bmim] [PF6] from Monte Carlo simulations, J. Chem. Phys. B 109 (2005), 12154
I. Urukova, J. Vorholz, G. Maurer
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Surface critical behaviour of fluids: Lennard- Jones fluids near a weakly attractive substrate, Eur. Phys. J. B 44 (2005), 345
I. Brovchenko, A. Geiger, A. Oleinikova
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Thermal conductivities of molecular liquids in reverse Non-equilibrium Molecular Dynamics, J. Phys. Chem. B 109 (2005), 15060
M. Zhang, E. Lüssetti, L.E.S. de Souza, F. Müller-Plathe
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Amplification of molecular traffic control in catalytic grains with novel channel topology design, J. Chem. Phys. 124 (2006), 214701
A. Brzank, G.M. Schütz
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Single-file diffusion near channel boundaries, Langmuir 22 (2006), 5728
S. Vasenkov, A. Schüring, S. Fritzsche
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Treating dispersion effects in extended systems by hybrid MP2: DFT calculations – protonation of isobutene in zeolite ferrierite, Phys. Chem. Chem. Phys. 8 (2006), 3955
C. Tuma, J. Sauer
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First hybrid embedding scheme for polar covalent materials using an extended border region to minimize boundery effects on the quantum region, J. Chem. Theor. Comput. 3 (2007), 2290
A.M. Shor, E.A.I. Shor, V.A. Nasluzov, G.N. Vayssilov, N. Rösch
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Modeling of polar systems using PC-Saft: An approach to account for induced-association interactions, J. Phys. Chem. C 111 (2007), 15544
M. Kleiner, G. Sadowski
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Molecular Dynamics simulation of heterogeneous nucleation and growth of argon at polyethylene films, J. Phys. Chem. C 111 (2007), 15784
R. Rozas, T. Kraska
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Non-equilibrium Molecular Dynamics calculation of the thermal conductivity of amorphous polyamide-6-6, J. Phys. Chem. B 111 (2007), 11516
E. Lüssetti, T. Terao, F. Müller-Plathe
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Predictive Equation of State Models with Parameters determined from Quantum Chemistry, Part 2: Improvement of the Predictive Performance of the PCP-SAFT equation of state, Fluid Phase Equilib. 258 (2007), 41
K. Leonhard, N. Van Nhu, K. Lucas
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Water diffusion through a membrane protein channel: A first passage time approach, J. Chem. Phys. 127 (2007), 085101
V.J. van Hijkoop, A.J. Dammers, K. Malek, M.-O. Coppens
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Computing Activity Coefficients of Binary Lennard-Jones-Mixtures by Gibbs-Duhem Integration, Z. Phys. Chem. 222 (2008), 687
D. Paschek, A. Geiger, J. Fischer, G. Sadowski
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Direct observation of single Ostwald ripening processes by Molecular Dynamics simulation, J. Phys. Chem. B 112 (2008), 12408
T. Kraska
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Morphological study of vicinal surface growth by means of a hybrid algorithm, Eur. Phys. J. B 63 (2008), 25
J. Kundin, H. Emmerich
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Set of molecular models based on quantum mechanical ab initio calculations and thermodynamic data, J. Phys. Chem. B 112 (2008), 12710
B. Eckl, J. Vrabec, H. Hasse
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Thermodynamic properties of the species resulting from the phenyl radical with O2 reaction system, Int. J. Chem. Kinet. 40 (2008), 583
N. Sebbar, H. Bockhorn, J.W. Bozzelli
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A Phase-Field/Monte-Carlo Model Describing Organic Crystal Growth from Solution, Eur. Phys. J. B. 70 (2009), 403
J. Kundin, C. Yürüdü, J. Ulrich, H. Emmerich
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Quantum chemical modeling of benzene ethylen over H-ZSM-5 approaching chemical accuracy: A hybrid MP2: DFT study, J. Am. Chem. Soc. 132 (2010), 11525
N. Hansen, R. Krishna, J. van Baten, A.T. Bell, F.J. Keil
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Reactor simulation of benzene ethylation and ethane dehydrogenation catalyzed by ZSM-5: A multiscale approach, Chem. Eng. Sci. 65 (2010), 2472
N. Hansen, R. Krishna, J. van Baten, A.T. Bell, F.J. Keil
