论文摘要
低碳烷烃作为在自然界储量极为丰富,但反应活性低的一类饱和碳氢化合物,一直是化学工业的主要原料。由于其稳定性,烷烃的活化与转化需要相当苛刻的条件,且选择性较低,生产成本较高。在工业生产方面,烷烃活化技术主要是用过渡族金属催化剂将比较便宜的烷烃原料直接转变为石化产品,寻找低温高活性、高选择性、稳定性好、抗积炭能力强的工业化催化剂,一直是实验研究的热点,过渡金属催化剂在烷烃的活化研究中扮演着重要的角色。乙烷作为在自然界储量仅次于甲烷的低碳烷烃,对它的活化研究无论在基础研究领域还是在工业生产方面均有重要的地位。本文通过简化的催化剂模型,采用量子化学密度泛函理论研究了过渡金属中的Fe、Co、Ni原子活化乙烷的微观反应机理,旨在探明这些过渡金属活化烷烃的微观反应历程和表征该反应过程中各中间体和过渡态的结构及能量变化情况,得到其微观作用过程反应动力学和热力学数据,从而探明其催化作用机制,比较各类催化剂催化性能的优劣,为寻找优质、高效的催化剂提供理论指导,利用理论研究的随机性和便捷性以及其经济性筛选高性能的催化剂。通过对Fe、Co、Ni原子催化活化乙烷反应微观机理的研究,找到了反应势能面上相关的中间体和过渡态,并获得了相应的能量变化情况,得出如下结论:（1） Fe、Co、Ni原子活化乙烷的微观反应机理均可分为C-C键活化过程和C-H键活化两个主要的反应过程,可分别放出甲烷和氢气。（2）三种原子对乙烷的活化过程除第一步是否形成原子-分子复合物外,随后的反应过程是相似的。（3）从能量的角度分析,Ni原子和Co原子活化C-H键决速步活化能均低于活化C-C键的活化能,Ni原子和Co原子活化C-H键较活化C-C键更易进行;而Fe原子活化C-H键决速步活化能高于活化C-C键的活化能,Fe原子活化C-C键较易进行。（4）比较Fe、Co、Ni原子活化乙烷的微观反应历程,在C-C键活化方面,Fe原子活化的决速步活化能最低,在C-H键活化方面,Ni原子活化的决速步活化能最低。