Kopplung Atomistischer und Kontinuumsskaliger Modelle der Heterogenen Katalyse mittels eines Reduzierten-Basen-Ansatz und Mehrlevel-On-the-fly-Dünngitter-Interpolation

• Antragsteller: Dr. Sebastian Matera; Dr. Christian Merdon
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467076359

Das zentrale Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer verbesserten Multiskalen-Modellierungs-Strategie für die heterogene Katalyse, die atomistische Kinetische Monte-Carlo-Simulationen (kMC) der Oberflächen-Chemie mit Computational Fluid Dynamics (CFD) für reaktive Strömungen koppelt. Eine wichtige Anwendung sind in situ Oberflächen-Charakterisierungs-Experimente, die typischerweise komplexe Strömungs-Geometrien erfordern und in denen das Zusammenspiel zwischen atom- und makro-skaligen Aspekten eine entscheidende Rolle spielt. Wir verfolgen zwei komplementäre Ansätze zur Verbesserung zweier zentraler Aspekte unserer existierenden Methoden.Erstens, CFD in komplexen Geometrien erfordert einen hohen Rechenaufwand, auch im Falle analytischer kinetischer Modelle, der primär verursacht wird durch die hochgradig nichtlineare Oberflächen-Kinetik. Um das Problem zu minimieren wird eine neue massen-erhaltene Reduzierte-Basis-Strategie (RBS) entwickelt basierend auf gradienten-robusten Finite-Elemente- und konservativen Finite-Volumen-Methoden. Die RBS entkoppelt die Reaktionskinetik vom Transport, der dadurch zu einem sehr viel einfacheren, überwiegend linearen Problem wird. Die nichtlineare chemische Kinetik spielt nur in einem kleinen Bereich der Oberfläche eine Rolle. Neben der Entkopplung erlaubt es diese Strategie mehrere Reaktions-Modelle parallel zu testen ohne die RBS neu zu berechnen. Wir erwarten, dass dies zu einem sehr hilfreichen Werkzeug für die Forschungs-Gemeinde zur Interpretation experimenteller Daten werden wird.Der zweite Ansatz betrifft die gekoppelten kMC+CFD-Simulationen, in denen der Großteil der Kosten durch die kMC-Simulationen zur Auswertung der nichtlinearen Randbedingung der CFD entsteht. Um die Zahl der nötigen kMC-Simulationen zu reduzieren, wird die RBS an eine Multi-Level-On-The-Fly-Interpolation (ML-OFI) der kMC-Daten gekoppelt. Basierend auf Dünn-Gittern, wird schnelle Konvergenz auch für hochdimensionale Probleme mit mehreren reagierenden Spezies ermöglicht. Die ML-OFI wird nur solche Gitterpunkte abfragen, die auch wirklich zur Auswertung an den Abfragepunkten der Randbedingung gebraucht werden, und steuert darüber hinaus das Hinzufügen neuer Gitterpunkte oder weiterer kMC-Samples, die zur Konvergenz des nichtlinearen iterativen Lösers benötigt werden. Wie die RBS kann auch das Surrogat in anderen Situationen weiterverwandt werden ohne alle kMC-Daten wieder neu zu berechnen.Diese Methodologie wird angewandt auf die gekoppelte CO- und NO-Oxidation an der Pd(100)-Oberfläche unter Benutzung von Quantenchemie basierten kMC-Modellen. Dadurch erhalten wir eine Multiskalen-Modellierung, die eine Brücke zwischen den elektronischen Skalen chemischer Bindungen und dem makroskopische Reaktorverhalten schlägt. Die Strategie wird verwandt werden um aktuelle und zukünftige Experimente zu analysieren und damit zur Beantwortung der Frage nach der aktiven Phase von Pd(100) beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Edvin Lundgren; Dr. Johan Zetterberg