生物乙醇脱水制乙烯P-ZSM-5分子筛催化剂的DFT研究

论文摘要

乙烯是一种重要的基本有机化工原料，它的产量标志着一个国家石油化工的发展水平。随着世界能源的短缺和石油价格的增长，生物乙醇制乙烯受到越来越多研究者的关注。近年来，该反应的研究热点集中在催化剂的开发上，其中，P-ZSM-5分子筛催化剂表现出了优良的催化活性。本文通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算了ZSM-5分子筛催化剂P改性前后的结构、电子特性及酸性变化，考察了P改性后对乙烯二聚反应的影响。研究结果表明骨架外改性后，磷酸分子的氢原子和分子筛的骨架氧原子发生氢键作用，形成稳定的骨架外改性结构；骨架改性后，由于分子筛的骨架结构阻止了H2PO4-基团的插入，导致H2PO4-基团不能取代了分子筛的桥羟基，而是P原子以单键形式与分子筛的氧原子结合。磷酸骨架外改性后催化剂的结合能及骨架改性后催化剂模型的总能量的计算结果表明，分子筛中引入P后，T12位模型最稳定。Mulliken电荷及差分电荷密度图的分析结果表明，电荷从O原子向P、Al和H原子转移。这种电荷的转移，增强了磷酸和分子筛之间的相互作用，从而增强了磷酸改性ZSM-5分子筛的稳定性。磷酸改性前后分子筛模型的去质子化能及探针分子与分子筛相互作用的计算结果表明，分子筛中引入P后，其酸强度减弱，且骨架改性后的酸强度减弱程度更大。在Al原子替代T12位的基础上，通过对8T、14T、18T簇模型的几何结构、去质子化能及乙醇吸附能的计算，筛选出过渡态搜索计算中选用的14T模型。乙烯二聚反应是分子筛发生积炭失活的主要原因之一。在磷酸改性后的ZSM-5催化剂上，乙烯二聚反应进行所需的活化能增大，有效抑制了乙烯二聚反应的发生，防止乙烯的深度聚合，有益于改善ZSM-5分子筛催化剂的抗积炭性能。本文揭示了P改性前后ZSM-5分子筛的结构、电子以及酸性变化，分析了微观结构与宏观性质之间的关联，提出了P改性对乙烯二聚反应的抑制机理，为设计和改进乙醇脱水制乙烯催化剂提供了有益的理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 乙烯概况
• 1.1.1 乙烯的性质及用途
• 1.1.2 乙烯的发展前景
• 1.2 乙烯的生产方法
• 1.2.1 石油烃类高温裂解法
• 1.2.2 石油烃类催化裂解法
• 1.2.3 乙烷氧化脱氢法
• 1.2.4 甲烷法
• 1.2.5 乙醇脱水法
• 1.3 生物乙醇制乙烯的反应机理
• 1.3.1 生成碳正离子中间体的机理
• 1.3.2 生成乙醇盐中间体的机理
• 1.4 生物乙醇制乙烯催化剂的发展
• 1.4.1 活性氧化铝
• 1.4.2 分子筛
• 1.4.3 其他催化剂
• 1.5 ZSM-5 分子筛概述
• 1.5.1 ZSM-5 分子筛的结构及应用
• 1.5.2 ZSM-5 分子筛的改性方法
• 1.6 P-ZSM-5 分子筛的研究进展
• 1.6.1 P-ZSM-5 分子筛中 P 的来源
• 1.6.2 P-ZSM-5 分子筛的催化效果
• 1.6.3 P-ZSM-5 分子筛的微观结构
• 1.7 本课题研究内容及意义
• 第二章 分子模拟的基本理论
• 2.1 分子模拟的分类
• 2.2 量子力学模拟
• 2.2.1 密度泛函理论
• 2.2.2 Dmol3模块
• 2.2.3 基组
• 2.2.4 函数
• 2.3 过渡态搜索
• 2.3.1 过渡态搜索的理论基础
• 2.3.2 过渡态搜索的模拟流程
• 2.4 量子力学模拟在分子筛催化中的应用
• 2.4.1 分子筛的结构
• 2.4.2 分子筛的酸性
• 2.4.3 分子筛的吸附性质
• 2.4.4 分子筛的催化性能
• 2.5 本课题采用的软件及计算内容
• 第三章 P-ZSM-5 分子筛催化剂的结构及电子性质
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型和方法
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 未改性 ZSM-5 分子筛的结构
• 3.3.2 P 骨架外改性 ZSM-5 分子筛的结构
• 3.3.3 P 骨架改性 ZSM-5 分子筛的结构
• 3.3.4 P 改性后 ZSM-5 分子筛的电子性质
• 3.3.5 乙醇、乙烯分子的吸附
• 3.4 小结
• 第四章 P-ZSM-5 分子筛 Br nsted 酸强度的理论计算
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型和计算方法
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 （Al,H）/Si 替代能 E（Al,H）
• 4.3.2 去质子化能
• 4.3.3 Al-O-Si 键角
• 4.3.4 探针分子
• 4.4 小结
• 第五章 P 改性后对乙烯二聚反应的影响
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型和方法
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 8T、14T、18T 的比较
• 5.3.2 乙烯的吸附
• 5.3.3 乙烯质子化
• 5.3.4 改性前后乙烯质子化反应的过渡态搜索
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 论文和参加科研情况说明
• 致谢