使用ReaxFF反应分子动力学方法研究酸性ZSM-5型沸石催化下的甲醇制烯烃过程

论文摘要

由酸性沸石催化的甲醇制烯烃过程是一个重要的工业过程。反应物甲醇可以从各种渠道获得,比如天然气,有机废料等等,因此甲醇制烯烃过程在过去的几十年里吸引了众多实验科学家,理论科学家,以及企业的目光。然而因为实验和理论手段的匮乏,对于MTO过程具体机理的理解直到今天还知之甚微,主要的难点有以下几点:甲醇是如何被酸性沸石活化的,碳链增长的具体机理,烃池分子是怎么生成的,短链烯烃分子是怎么生成的。本文通过分子模拟方法中的反应动力学方法来研究甲醇制烯烃反应的初期反应机理。本工作涉及到的沸石体系是酸性H-ZSM-5型沸石,体系中包含反应物甲醇分子以及乙烯分子。涉及到的计算方法有量子化学从头计算方法（DFT）,基于反应力场（ReaxFF）的分子动力学模拟方法,研究的内容主要有以下几点:为了在原子尺度上研究MTO工业过程的详细机理,我们扩展了ReaxFF反应力场,并且用这种力场模拟了在酸性沸石H-ZSM-5中进行的甲醇制烯烃（MTO）过程。模拟得到的数据与之前报道的实验现象吻合。主要创新点在于扩大和补充了关于MTO反应机理的认知。具体包括:1)由于模拟包含了多分子间的相互作用以及热动力学条件的影响,发现了通过实验手段和静态的量化计算没有提出的若干新的反应机理,并在此基础上得到了MTO初始反应的较完整的反应机理图。2)对于甲醇分子活化来说,除去被通常认为的生成表面甲氧基的机理以外,还有一种具有较低权重,但是非常重要的生成自由甲基的路径。3)模拟中观察到了通常认为的乙烯和表面的甲氧基反应进行的碳链增长机理,但是所占的权重很小。更多的是通过乙烯被脱质子的沸石位点所活化进而完成碳链增长,而这些脱质子的沸石位点是由于甲醇活化而产生的,因此烃池机理中只有在甲醇分子参与的时候才有效果。4)考虑了碰撞概率,甲醇制烯烃碳链增长的决速步骤不是由静态量子化学计算所预测的甲醇活化步骤,而是C-C链增长的过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 前言
• 1.1 课题背景和意义
• 第二章 计算方法
• 2.1 量子力学方法
• 2.1.1 从头计算方法
• 2.1.3 密度泛函（DFT）理论
• 2.1.4 MP2 微扰理论
• 2.2 统计热力学基本原理
• 2.2.1 最概然分布和Boltzmann 分布
• 2.2.2 配分函数
• 2.3 分子力场（molecular force field）
• 2.3.1 分子力场（molecular force field）的各种能量项
• 2.3.2 常见的分子力场（molecular force field）
• 2.4 分子模拟方法
• 2.4.1 分子动力学（Molecular dynamics）
• 2.4.2 模型和周期性边界条件
• 2.4.3 ReaxFF 方法
• 2.6 研究目的及内容
• 第三章 对酸性H-ZSM-5 沸石模型的REAXFF 力场参数化
• 3.1 力场参数化
• 3.2 参数化结果
• 第四章 对甲醇制烯烃过程的反应分子动力学模拟
• 4.1 模型与方法
• 4.2 简单模型的模拟结果
• 4.2.1 模型A
• 4.2.2 模型B
• 4.2.3 A 模型与B 模型反应速率的比较
• 4.3 模型C 的分析
• 4.3.1 轨迹分析
• 4.3.2 甲醇活化循环
• 4.3.3 乙烯增长循环
• 4.4 结论
• 第五章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢