Pd掺杂Fe催化剂上愈创木酚加氢脱氧理论研究

通过密度泛函理论(DFT)计算研究了愈创木酚在Fe(211)表面上的吸附活化行为和加氢脱氧(HDO)反应性能.讨论了Pd的掺杂和H_2O~*的参与对Fe催化剂活性和选择性的影响.计算结果表明,通过苯环水平吸附在催化剂表面的愈创木酚的稳定性高于仅通过羟基的垂直吸附构型,这有利于苯环, C_(Ar)-OCH_3键和O-CH_3键的活化.在Fe(211)表面上,愈创木酚通过脱甲基再加氢生成邻苯二酚在动力学上比通过脱甲氧基生成苯酚和通过脱羟基生成苯甲醚更有利. Pd掺杂对愈创木酚的吸附稳定性影响较小(0.05 eV),但增加了其加氢脱氧反应的活化能垒,抑制了C_(Ar)-OCH_3, O-CH_3和C_(Ar)-OH键的断裂以及随后加氢生成苯酚,邻苯二酚和苯甲醚的反应过程.在Fe(211)表面上, H_2O~*通过与-CH_3形成氢键作用(H-bonding机理)对反应产生影响,从而降低了愈创木酚脱甲基和脱甲氧基反应的活化能垒.在Fe(211)-1Pd表面上, H_2O~*通过H转移参与反应(H-shuttling机理),促进了愈创木酚向邻苯二酚和苯酚产物的转化,并提高了加氢脱氧反应对苯酚的选择性.     

Co@C催化木质素衍生酚类化合物的加氢转化

采用溶剂热法合成Co-MOF,然后通过一步热解法制备了Co@C催化剂。通过N2物理吸附-脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段对Co@C催化剂的结构进行了表征。探讨了Co-MOF热解温度、反应温度、初始氢压以及反应时间对Co@C催化愈创木酚加氢转化的影响。结果表明,Co-MOF和Co@C中均以介孔为主;片层结构的Co-MOF热解后变成不规则的球状,并且随着热解温度升高,Co@C的比表面积不断减小。以Co@C-600为催化剂,在反应温度180℃、初始氢压2 MPa、反应时间2 h的条件下,愈创木酚完全转化,环己醇的选择性为92.8%。Co@C催化愈创木酚加氢转化的主要反应路径为先通过脱甲氧基生成苯酚,进一步加氢生成环己醇。此外,Co@C-600对苯酚、对甲氧基苯酚和4-甲基愈创木酚等其他衍生酚单体也具有较好的催化活性。     

镍掺杂对Fe催化剂上CO_2加氢制烃影响的理论计算研究

为研究镍掺杂对铁基催化剂上二氧化碳加氢生成C_1和C_2烃类产物的影响,应用密度泛函理论进行了相关计算.在Fe(110)和Ni-Fe(110)表面上, CH~*物种是最有利的生成CH_4和C_2H_4的C_1物种(CH_x~*),其最可能的生成路径为CO_2→HCOO~*→HCO~*→CH~*.尽管CO_2直接解离为CO~*在动力学上相较于加氢生成HCOO~*和COOH~*是较为有利的,但CO~*进一步加氢生成HCO~*在能量上是不利的,其倾向于逆向解离回到CO~*. CH~*物种可以通过三步加氢反应生成CH_4或者经C—C耦合及两步加氢生成C_2H_4.在Fe(110)表面上,对甲烷和乙烯产物选择性起决定作用的基元反应能垒之间差异仅为0.10 eV,因此两者选择性相近.在将Ni原子引入Fe(110)表面后,生成甲烷与乙烯的选择性差异变大,导致乙烯的选择性提高.计算结果表明,添加少量金属Ni能够促进CO_2转化为CH~*,及两个CH~*物种发生C—C耦合和进一步加氢转化为乙烯.     

Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,解离以及C-C偶合反应

采用密度泛函方法研究了Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,直接解离,氢助解离以及C-C偶合反应.相比洁净的Fe(100)表面,在Fe(100)的单层Cu膜上,CO的吸附和活化都减弱了.特别是,相比Fe(100)上CO的解离能垒1.08 eV,铜单层膜上CO解离能垒高达2.4 eV.在H原子共吸附的情况下,Fe(1...     

氧化铜表面臭氧分解路径及表面氧物种生成机理研究

基于密度泛函理论（DFT）计算研究了O3在完整和具有氧空位的CuO(111)表面吸附的吸附位、吸附结构、吸附能和电子转移情况,比较了O3在完整表面和具有氧空位的表面分解的路径和能垒,分析了氧空位和表面吸附氧的生成机理。结果表明,在完整CuO表面,O3分子通过化学吸附或物理吸附表面结合,吸附能最高为-1.22eV（构型bri(2)）。O3在具有氧空位的CuO表面均为化学吸附,吸附能最高为-2.95eV（构型ovbri(3)）,显著高于完整表面的吸附能。O3吸附后,Cu吸附位的电荷密度减小,O3中的O原子附近的电荷密度显著增强,电荷从CuO表面转移到O3,并形成Cu-O离子键。O3分解后形成了超氧物种,提高了表面的氧化活性。在完整表面,以构型bri(2)为起始构型的路径反应能垒最低,为0.52eV;O2*在完整表面的脱附所需要的最低能量为0.42eV,形成氧空位的O2*脱附能为2.06eV。在具有氧空位的表面,O3分解的反应能垒为0.30eV（构型ovbri(1)）和0.12eV（构型ovbri(3)）,均低于完整表面的反应能垒;分解形成的O2*的最低脱附能也低于完整表面,为0.27eV。可见,氧空位的形成提高了吸附能,降低了反应能垒,使O3分子更容易吸附在CuO表面,并加快了O3的催化分解。     

铌改性纳米多孔钌催化愈创木酚选择性加氢研究

分别采用机械合金化法、真空电弧熔炼法和感应熔炼法制备了纳米多孔钌催化剂,并以愈创木酚选择性加氢反应评价催化剂活性,发现机械合金化法制备的催化剂活性高于传统熔炼法,且经金属铌改性后纳米多孔钌催化活性明显提高.反应温度180℃,初始氢气压力1MPa,催化剂用量10mg条件下,40min内愈创木酚高效转化为环己醇,收率达78.2%.采用SEM,XRD及XPS等方法对合金以及催化剂进行了表征.结果表明:金属组分间的电子转移作用越强,催化剂的活性越高.掺杂的铌金属促进了合金的非晶化过程,而且在金属表面以Nb_2O_5的形式存在,使得钌的价态提高,并由此提升催化活性.理论计算结果可知C—O键断裂生成苯酚的过程对催化剂结构敏感性较高,钌晶面活性Ru(100) Ru(101) Ru(002),高配位数晶面上更容易生成苯酚.     

Pd掺杂的Ni催化剂表面CH4解离吸附的理论研究

使用密度泛函理论研究了Pd掺杂的Ni(111),Ni(100)和Ni(211)表面最稳定的结构,同时考察了干净的和Pd掺杂的Ni表面催化CH₄解离反应的活性.结果表明,由Pd原子取代最外层Ni原子而形成的表面Pd掺杂的Ni表面在热力学上最为稳定,亚表面Pd掺杂的Ni表面在热力学上都不稳定; 而对于表面Pd吸附的Ni表面,只有Pd/Ni(211)表面是稳定的.表面掺杂的Pd/Ni表面上CH₄解离中间体(CH₄,CH₃,CH,C,H)吸附能的计算结果表明,Pd的掺杂在不同程度上减弱了除CH₄之外各解离中间体的吸附能.另外,CH₄和CH均优先在Ni(211)和Pd/Ni(211)台阶面上解离,其次是在比较开阔的Ni(100)和Pd/Ni(100)表面上.Pd的掺杂不同程度上提高了CH₄和CH解离的能垒,对于活性最高的Ni(211)面,Pd的掺杂使得CH脱氢的能垒较CH₄脱氢的高,改变了其速率控制步骤,从而抑制了积碳的生成.     

CO2在金属表面活化的UBI-QEP方法研究

应用UBI-QEP方法估算了金属表面上形成的活化吸附态CO₂^-在Cu(111),Pd(111),Fe(111)和Ni(111)表面上的吸附热,计算了各种相关反应的活化能垒.结果表明,CO₂^-在4种过渡金属表面的相对稳定性的顺序为Fe>Ni>Cu>Pd;在Fe和Ni表面上CO₂^-较易生成,且容易进一步发生解离反应,在Fe表面会解离成C和O吸附原子,而在Ni表面上解离的最终产物为CO和O;在Cu表面上,CO₂^-虽较难形成,但其加氢反应的活化能比解离反应低,因此加氢反应是其进一步活化的有效模式;在Pd表面上,CO₂^-吸附态在能量上很不稳定,所以CO₂在Pd表面上不容易活化.     

Rh(111)及Rh@Cu(111)表面乙烯氢甲酰化反应选择性的理论研究

采用密度泛函理论对比研究了Rh(111)表面与Rh@Cu(111)表面合金上乙基加氢反应及CO插入反应过程.结果发现,与Rh(111)表面相比,Rh@Cu(111)表面合金的集团效应和配体效应使得加氢反应的能垒降低了0.12eV,而CO插入反应的却显著降低了0.78eV.这表明RhCu合金催化剂可以有效地提高氢甲酰化反应的选择性.     

乙烯在Ru(1010)表面价带电子特性研究

在200K以下乙烯(C2H4)可以在Ru(1010)表面上以分子状态稳定吸附,200K以上乙烯发生了脱氢分解反应生成乙炔(C2H2).乙烯分解生成乙炔后,σCC和σCH分子轨道能级向高结合能方向分别移动了0.5和1.1 eV.偏振角分辨紫外光电子谱(ARUPS)结果表明:在Ru(1010)表面上,乙烯和脱氢反应后生成的乙炔分子的C-C键轴都不平行于表面,而是沿表面(0001)晶向倾斜.     

Catalytic upgrading of lignin derived bio-oil model compound using mesoporous solid catalysts

The catalytic upgrading of a lignin-derived bio-oil model compound, the hydrodeoxygenation of guaiacol, was performed using mesoporous solid catalysts. Platinum supported on silica and mesoporous silica (SBA-15 and KIT-6) were used as catalysts. The level of platinum incorporation and aluminum grafting did not alter the physical properties of the supports, such as surface area and pore size distribution. On the other hand, these treatments drastically affected the catalytic activities. A catalyst with platinum alone converted guaiacol to oxygenate compounds. In contrast, a series of catalysts with both platinum incorporation and aluminum grafting enhanced hydrodeoxygenation by converting guaiacol into hydrocarbons (cyclohexane and benzene). A comparison of the catalyst supports revealed the ordered mesoporous silica, SBA-15 and KIT-6, with high surface area, to have a higher hydrocarbon yield than conventional silica.     

Guaiacol hydrodeoxygenation kinetics with catalyst deactivation taken into consideration

The hydrodeoxygenation of guaiacol, a compound modeling bio-oil, has been investigated. Experiments have been carried out in an autoclave at 280, 320, and 360°C and an initial hydrogen pressure of about 17 MPa using a Ni-Cu/SiO₂-ZrO₂-La₂O₃ catalyst. A formal kinetic model of the first stage of guaiacol hydrodeoxygenation is suggested. It is assumed that the reaction is first-order with respect to both guaiacol and hydrogen. The model takes into account the deactivation of the catalyst and the decrease in the concentration of the deactivating compounds due to their hydrogenation. A possible cause of deactivation is the formation of coke and heavy intermediates, as well as the competitive adsorption of intermediate products of guaiacol conversion on the active sites of the catalyst. The parameters with which the model satisfactorily fits the observed dependence of the guaiacol concentration on the reaction time have been determined.     

木质素降解模型化合物愈创木酚及苯酚原位加氢制备环己醇

以Raney Ni为催化剂,研究了甲醇水相重整制氢与木质素降解模型化合物愈创木酚／苯酚加氢的耦合反应.考察了反应前冷压、反应温度、反应时间、物料配比等条件对木质素降解模型化合物原位加氢反应性能的影响,并对影响机制进行了讨论.结果表明,在反应温度为220 ℃、反应前冷压0 MPa(表压)、物料比水／甲醇／模型化合物为20∶5∶0.8的条件下,反应7 h后愈创木酚转化率与环己醇选择性分别达99.00％和93.74％,反应12 h后苯酚的转化率与环己醇选择性分别达90.50％和99.29％.采用原位加氢反应,木质素降解的酚类模型化合物转化率和选择性明显优于外部供氢反应的转化率和选择性,同时,避免了外部供氢反应存在的氢气制备、储存、传输及加氢条件苛刻等问题,为木质素解聚产物制备化工品提供了新思路与实验基础.     

Ru/Co-Al-O负载型催化剂的制备及其加氢脱氧性能研究

先采用共沉淀法制备出Co-Al类水滑石,其经煅烧后形成的复合氧化物用作载体制备出一系列Ru/Co-Al-O负载型催化剂,并采用XRD、BET、FT-IR等方法对其结构性能进行表征分析,最后以木质素生物质油的典型含氧化合物对甲基苯酚为模型,测试所制催化剂的加氢脱氧性能。主要研究了载体中Co/Al物质的量比、催化剂还原温度等因素对催化剂加氢脱氧活性的影响,并优化了HDO反应温度。结果表明,当Co/Al物质的量比为3∶1,催化剂还原温度为350℃,反应温度为275℃时,催化剂的加氢脱氧活性最高,催化对甲基苯酚加氢脱氧反应的转化率和脱氧率都达到了100%。     

甲醇在M@CNTs表面吸附和初步裂解机理的DFT研究

基于密度泛函理论(DFT)研究了 CH3OH在M@CNTs(M= Fe、Co、Ni、Cu、Fe2、Co2、FeCo)表面吸附和初步裂解机理.在M@CNTs表面CH3OH裂解存在C-H、C-O、O-H 3条可能路径.我们计算了CH3OH及中间体在CNTs和M@CNTs表面的吸附能,并计算了3条可能路径下的相关反应热和活化...     

固体酸催化烯烃改性生物油酚类化合物研究

选取生物油中含量较高的愈创木酚、儿茶酚和苯酚为酚类模型化合物,以蒙脱土K-10负载的Cs2.5H0.5PW12O40为固体超强酸催化剂,苯酚/1-辛烯烷基化反应为探针,考察了催化剂负载量,反应温度及物料摩尔比等因素对酚类烷基化反应的影响.结果表明,在60～100℃范围内,30%Cs2.5H0.5PW12O40/K-10对苯酚烷基化反应具有很好的催化活性和选择性,原料摩尔比为1时苯酚氧烷基化产物的选择性最好.愈创木酚中甲氧基的位阻效应使其转化率在相同条件下比苯酚低很多,相应氧烷基化产物的选择性也很低.儿茶酚与1-辛烯反应主要生成单羟基氧烷基化产物,100℃时选择性仍高达96%.升高温度有利于烷基化改性反应的进行,但产物中氧烷基化产物的选择性随着温度升高而降低.     

Synergistic Interaction within Bifunctional Ruthenium Nanoparticle/SILP Catalysts for the Selective Hydrodeoxygenation of Phenols

Ruthenium nanoparticles immobilized on acid‐functionalized supported ionic liquid phases (Ru NPs@SILPs) act as efficient bifunctional catalysts in the hydrodeoxygenation of phenolic substrates under batch and continuous flow conditions. A synergistic interaction between the metal sites and acid groups within the bifunctional catalyst leads to enhanced catalytic activities for the overall transformation as compared to the individual steps catalyzed by the separate catalytic functionalities.     

CO诱导的FeO(111)/Ru(0001)负载Au原子吸附位和电荷的改变

采用密度泛函理论研究了CO气氛对FeO(111)/Ru(0001)负载Au原子吸附位、电荷及其稳定性的影响. 首先考察了FeO(111)单层薄膜在Ru(0001)表面上的界面结构. 研究发现,表面莫尔超晶胞内的HCP区域有最小的Fe-O层间距(rumpling),且Fe和O原子均与衬底Ru形成化学键. Au原子在FeO/Ru(0001)上最稳定的吸附在HCP区域的Fe-bridge位. 其中,Au原子诱导两个Fe原子从O原子层的下面翻转到其上面,形成两个Au-Fe键,且Au带负电. 当把体系暴露在CO气氛下后,CO能诱导Au原子从原来最稳定的Fe-bridge位转移到其邻近的O-top位,伴随着Au的电荷从负变到正,形成非常稳定的Au⁺-CO羰基物. 结果表明,反应气氛对负载金属催化剂的化学状态及其稳定性的影响很大; 同时也强调了反应条件下催化剂原位表征的重要性.     

Computational study of phenolic compounds-water clusters

Structural Chemistry - Eight molecules (phenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, pyrocatechol, guaiacol, syringol, and vanillin) were investigated in their one water complex clusters by quantum...