短链烃类在离子交换ZSM-5分子筛上催化转化反应的量子化学研究

论文摘要

碳四烃以ZSM-5分子筛为催化剂催化裂解制丙烯和乙烯是增产丙烯的有效方法之一,对解决国内碳四烃富集问题及提高石化企业的效益均具有极其重要的意义。此外,短链烃类尤其是甲烷在分子筛上催化转化为高附加值的有机原料也是解决烃类资源优化利用的重要途径之一。本论文主要利用量子化学的密度泛函方法,采用原子簇模型,细致而深入地研究了C4烃类在酸性分子筛上的催化裂解反应;分子筛酸性的模拟;短链烯烃在酸性分子筛上的二聚反应;甲烷在离子交换的Ag-ZSM-5和In-ZSM-5分子筛上的催化活化机理;Re-ZSM-5分子筛的水热稳定性及吸附性能。主要结论如下:1.研究了正丁烷在酸性分子筛上单分子裂解反应。通过研究正丁烷不同序位C原子的解氢反应,廓清了正丁烷在酸性分子筛上解氢反应机理。反应路径以及反应能垒的结果显示正丁烷在分子筛发生的脱氢反应主要发生在β位C原子上。正丁烷在酸性分子筛表面发生催化转化反应的反应得难易程度的顺序为:α位C原子脱氢＞β位C原子脱氢＞第一C-C裂解＞第二C-C裂解。2.对分子筛5T簇模型的结构变化及去质子能研究发现,通过改变分子筛簇封端Si-H键的键长可以来模拟分子筛酸性变化。随着封端Si-H键长增加,分子筛去质子能降低,分子筛酸性增加,而正锻榇呋呀飧鞣从Φ姆从δ芾菟嬷档汀Ｔ谡⊥榱呀獾乃母龇从χ?第一C-C裂解反应是对分子筛酸性最敏感的反应。应用Bronsted-Polanyi原则得出正丁烷反应能垒与分子筛的去质子能呈线性关系。所得的线性关系可以用来预测未知分子筛上的正丁烷反应的能垒,并且可以仅计算分子筛的去质子能来求得不同酸性情况下正丁烷在分子筛表面的催化反应能垒。3.研究了1-丁烯在酸性分子筛表面发生单分子催化裂解反应。结果表明,其反应不是通过吸附的丁基烷氧化合物,而是质子化的1-丁烯发生C-C裂解,进而生成丙烯和甲基烷氧化合物。能量计算结果显示1-丁烯要比正丁烷更容易在酸性分子筛上催化裂解。4.短链烯烃在分子筛上二聚反应的计算结果表明,第二个烯烃分子与第一个烯烃在分子筛上化学吸附的烷氧化合物发生二聚反应。烯烃二聚的反应研究发现,烯烃二聚属于放热反应,其速控步为烯烃分子与烯烃化学吸附生成的烷氧化合物的二聚反应步骤。同时计算结果显示,随着碳链的正常,其反应的活化能垒逐渐降低,其反应也越容易发生。短链烯烃在酸性分子筛上发生催化二聚反应的难易顺序为乙烯＞丙烯＞1-丁烯。能量的计算结果表明了1-丁烯在酸性分子筛上更容易发生双分子裂解反应。5.研究了甲烷在Ag-ZSM-5和In-ZSM-5分子筛上的催化活化的不同反应路径:“碳正离子”和“烷基”路径。计算结果表明甲烷的C-H键活化主要经由“烷基”路径进行。据此本文提出了甲烷在乙烯存在下Ag-ZSM-5上催化转化的反应机理。甲烷C-H键在Ag+离子和InO+离子交换分子筛上催化活化的机理不同,主要是由于两分子筛存在不同的Lewis酸基对。与甲烷在H-ZSM-5分子筛上催化活化相比的结果表明,孤立的额外骨架Ag+离子和InO+离子的存在是甲烷能够在Ag-ZSM-5和分子筛上发生催化活化反应的基础,同时也是Ag-ZSM-5和In-ZSM-5良好催化活性的原因。6.研究了Re-ZSM-5的微观结构、水热稳定性以及烷醇分子的吸附性能。对Re-ZSM-5分子筛的水热稳定性研究表明,在高达823 K时,Re-ZSM-5分子筛仍然保持稳定,ReO3+离子并未脱落分子筛骨架,而且分子筛骨架也未坍塌。说明了Re-ZSM-5在高温富水情况的反应条件下,仍然能保持其良好的催化活性。烷醇的吸附研究表明,随着碳链的增长,相应的醇类分子在Re-ZSM-5分子筛上吸附的能量在逐渐下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 短链烃类催化转化工艺及催化剂
• 4烯烃催化裂解工艺及催化剂'>1.2.1 C₄烯烃催化裂解工艺及催化剂
• 1.2.2 甲烷无氧催化活化
• 1.3 ZSM-5分子筛
• 1.3.1 ZSM-5分子筛的结构
• 1.3.2 ZSM-5分子筛的催化性能及应用
• 1.4 量子化学和计算模拟方法在分子筛催化研究中的应用
• 1.4.1 QM方法及其应用
• 1.4.2 MM方法及其应用
• 1.4.3 MC方法及其应用
• 1.4.4 MD方法及其应用
• 1.4.5 QM/MM方法及其应用
• 1.5 课题研究目的及内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 计算方法
• 2.1 计算方法
• 2.1.1 从头计算（ab initio）方法
• 2.1.2 密度泛函方法
• 2.1.3 从头计算和密度泛函方法的应用
• 2.1.4 基组的选取
• 2.1.5 计算模型的选择
• 2.2 计算软件
• 参考文献
• 第三章 正丁烷在酸性分子筛上的催化转化反应
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型及方法
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 C-C裂解反应
• 3.3.2 脱氢反应
• 3.3.3 分子筛酸性的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 酸性分子筛上1-丁烯裂解及短链烯烃二聚反应
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型和方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 1-丁烯单分子裂解
• 4.3.2 烯烃二聚
• 4.3.3 反应能量分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 甲烷在Ag-ZSM-5分子筛催化活化机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型及方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 甲烷的"碳正离子"活化
• 5.3.2 甲烷的"烷基"活化
• +离子的作用'>5.3.3 Ag⁺离子的作用
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 甲烷在In-ZSM-5分子筛上催化活化机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算模型及方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 "碳正离子"路径
• 6.3.2 "烷基"活化
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 Re-ZSM-5分子筛结构及性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 计算模型及方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 Re-ZSM-5分子筛的结构
• 7.3.2 水热稳定性
• 7.3.3 烷醇在Re-ZSM-5分子筛上的吸附
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 作者简介
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书