SAPO-34分子筛中多甲基苯分子与卤代甲烷偕甲基化反应的密度泛函理论研究（英文）

利用周期性密度泛函理论研究了SAPO-34分子筛催化转化卤代甲烷制取低碳烯烃反应的碳池主要成分多甲基苯分子的偕甲基化反应.氯甲烷和溴甲烷分子在SAPO-34分子筛内的吸附能分别是–18和–22 kJ/mol,由于氯和溴原子相似的电负性,氯甲烷和溴甲烷分子的吸附能并未被精确区分.以氯甲烷和溴甲烷为甲基化试剂,得到了几种多甲基苯分子的偕甲基化反应能及能垒,结果表明,六甲基苯分子(HMB)的偕甲基化反应为放热反应,而其余甲基苯分子的偕甲基化反应为吸热反应.对于上述两种甲基化试剂,体积最大的HMB均表现出最低的偕甲基化反应能垒,这可能是由于分子筛骨架与多甲基苯分子之间的静电相互作用增强了HMB的反应活性所致.     

SAPO-34分子筛中甲基萘催化甲醇制烯烃反应的第一性原理研究

用周期性密度泛函理论方法(PBC-DFT)研究了SAPO-34分子筛中甲基萘催化甲醇制烯烃(MTO)反应的侧链烃池机理. 在侧链烃池机理中, 甲基化用于烷基侧链的增长, 通过间接质子转移消除烷基侧链得到乙烯丙烯产物. 计算结果表明在不考虑旋转限制的情况下二甲基萘的MTO催化活性高于多甲基苯, 催化生成丙烯的选择性比生成乙烯的高. 生成乙烯的控速步骤是乙基侧链的消除, 而生成丙烯的控速步骤是具有环外双键中间体的甲基化. 但是SAPO-34分子筛对反应中间体的旋转限制作用可能降低多甲基萘的MTO催化活性.     

用于甲醇制烯烃反应的SAPO-34分子筛改性研究

甲醇制烯烃反应（MTO）是天然气或煤替代石油制取烯烃路线的关键过程。SAPO-34分子筛由于具有适宜的孔道结构、酸性及良好的水热稳定性,在MTO反应中展现出优异的催化性能。对SAPO-34分子筛进行改性研究,不仅有助于其催化性能的提升,还可加深对反应机理的认识。本文综述了近年来用于MTO反应的SAPO-34的改性方法、改性原理及效果,如水蒸汽处理、酸中心选择性中毒、引入金属杂原子、ship-in-a-bottle法、硅烷化改性、F^-离子改性、高温氮化改性等,并对今后的研究方向进行了展望。     

Mo/MCM-22分子筛碳化钼活性中心结构及甲烷活化机理的密度泛函理论研究

 应用密度泛函理论研究了Mo/MCM-22分子筛上碳化钼活性中心的几何结构和电子结构,以及甲烷在该活性中心上的活化机理. 设计了两种结构的活性中心模型: Mo(CH2)2(模型A)和Mo(CH)CH2(模型B); 它们都嫁接在MCM-22分子筛超笼边缘的T4位的Brnsted-酸性位上,用3T簇模型代替分子筛的骨架,对所设计的模型进行了几何结构优化和电子结构分析. 结构优化结果显示, Mo与CH2端基以双键结合,键长为0.18～0.19 nm, 而Mo与CH端基以叁键结合,键长为0.17 nm. 通过自然键轨道分析,证明中心钼原子以配位键与骨架氧原子结合. 根据前线分子轨道的分析,预测了甲烷活化反应将发生在甲烷分子的HOMO和钼活性中心的LUMO之间,即 C-H 键的电子流向 Mo-C 键的π*轨道. 甲烷 C-H 键发生异裂, H+和H3C-基团分别与 Mo-C 键上的Mo和C成键. 在模型A上,甲烷活化反应的活化能为119.97 kJ/mol; 在模型B上,甲烷的H原子可以分别结合到CH2端基和CH端基上,对应的活化能分别为91.37和79.07 kJ/mol.     

以正丁胺为模板剂合成SAPO-34及其在氨甲基化反应中的应用

以正丁胺为模板剂首次合成了纯相的SAPO-34分子筛.考察了硅投料量、硅源种类以及晶化温度等条件对所得样品性质的影响.发现反应温度为200°C时,不加入硅源,合成产物为磷酸铝层状相kanemite;加入硅溶胶后,产物中开始有SAPO-34晶体出现,且随着硅投料量的增加,kanemite逐渐消失,SAPO-34分子筛成为主要产物,最终在SiO2/Al2O3摩尔比为0.6-1.4时得到纯相的SAPO-34.不同的硅源对SAPO-34产品的形貌和尺寸影响较大.反应温度为160°C时,合成体系中无法晶化得到SAPO-34,当提高至240°C后,由于层状相在高温下不能稳定存在,此时可以在较宽的硅投料区间内合成得到纯相SAPO-34产品.在200和240°C时,考察了使用同样的初始凝胶合成SAPO-34样品的晶化过程.发现在200°C时,合成体系中最初大量生成了kanemite,随后逐渐减少,SAPO-34晶体开始生成并最终成为唯一产物.而在240°C时,无机原料很快被溶解,之后大量的SAPO-34晶体快速生成,产物的收率和相对结晶度迅速增加,且整个晶化过程中并无层状相生成.这再次证明了高温对层状相的生成有着明显的抑制作用,因此提高晶化温度可以成为一种有效调节产品晶相的方法,特别是在容易产生层状相杂质的合成体系中.鉴于胺热合成方法的诸多优点,例如较高的收率、较好的吸附分离及催化反应效果,几种伯胺(正丁胺、正丙胺、环己胺)被用于充当模板剂和溶剂来合成得到了SAPO分子筛产品.其中,正丙胺为一种新的合成SAPO-34的模板剂.对SAPO-34产品进行X射线衍射、X射线荧光分析、扫描电镜、N2物理吸附、NH3程序升温脱附、热重和固体核磁共振等表征.结果显示,得到的SAPO-34产品具有很好的结晶度、孔结构以及合适的酸性.使用氨甲基化反应对正丁胺合成的SAPO-34进行催化反应评价.结果显示,该样品对甲胺和二甲胺具有很高的择形选择性,是一种具有潜在前景的甲胺合成催化剂.     

Mo/ZSM-5 分子筛碳化钼活性中心结构及甲烷活化机理的密度泛函理论研究

 应用密度泛函理论 (DFT) 研究了 Mo/HZSM-5 分子筛上碳化钼活性中心的几何结构和电子结构, 以及甲烷 C–H 键在该活性中心上的活化机理. 设计了两种碳化钼单体模型 Mo(CH2)2/ZSM-5 和 Mo(CH2)2CH3/ZSM-5, 两种碳化钼双体模型 Mo2(CH2)4/ZSM-5 和 Mo2(CH2)5/ZSM-5. 其中单钼模型构建在 ZSM-5 分子筛孔道交叉点 T6 位的 Brönsted 酸位上, 双钼模型构建在 T6---T6 相邻双酸位上. 这些模型中都有 Mo=CH2 键, 结构优化后得到的 Mo–C 键长与实验值吻合. 所有模型的前线分子轨道都在 Mo=CH2 的 π 键上. 甲烷活化过程是发生 C–H 键异裂, H+和 H3C–残基分别进攻 Mo=CH2 键的 C 和 Mo, 使 π 键同时断裂. 在以上 4 种碳化钼模型上, 甲烷 C–H 键活化能都在 106~196 kJ/mol, 且 Mo2(CH2)5/ZSM-5 在甲烷活化过程中显示出最高的催化活性.     

ZSM-5分子筛氮化的密度泛函理论研究

利用量子化学中的密度泛函理论,基于ZSM-5分子筛的8T簇模型,在Gaussian 98程序中采用B3LYP方法和6-311G(d,p)基组计算了ZSM-5分子筛中氮的最佳取代位置.计算结果表明,分子筛骨架中氧原子被氮原子取代的最佳位置为O11和O21位.由于位于B酸位上的O11原子是氮原子的最佳取代位置之一,所以氮化可以减弱分子筛表面的B酸强度.     

HNO与O自由基反应的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)和从头算方法，对HNO与O自由基反应进行了研究。在(U)B3LYP/6-311G^**和(U)B3LYP/aug-cc-pVTZ水平下优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态及产物)的几何构型。在(U)QCISD/aug-cc-pVTZ水平下计算了各物种的单点能，并对总能量进行了零点能校正。研究结果表明，HNO与O自由基反应过程中存在O → N、O → O和O → H进攻的竞争机制，且存在着多条反应通道。采用过渡态理论计算了600～2 000 K温度范围内3条慢反应通道的速率常数。求得lnk和1/T之间的线性关系。3种通道的阿累尼乌斯指前因子分别为1.469 × 10¹⁰、1.22 × 10¹⁰(1.06 × 10¹⁰)和2.26 × 10¹³。     

吡唑衍生物与碘甲烷反应的密度泛函理论研究

采用密度泛函方法对3-甲硫基-4-氰基-5-氨基吡唑与碘甲烷反应的机理进行了研究. 提出了两种可能的反应途径: 反应途径Ⅰ为反应物先脱去吡唑上的质子, 生成阴离子中间物, 然后碘甲烷分别进攻中间物吡唑环上的2个氮原子, 生成两种异构产物; 反应途径Ⅱ为反应物通过分子间氢转移存在两种异构体, 碘甲烷直接进攻每个异构反应物吡唑上的氮原子, 形成中间物, 然后脱去碘化氢, 生成产物. 计算结果表明, 途径Ⅱ应为主要反应途径. 还找出了两种异构产物间甲基迁移反应的过渡态, 得出该反应的活化能为278.5 kJ/mol, 在常温下甲基迁移反应不容易进行.     

羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究

二氧化碳(CO₂)和化石能源气体燃料甲烷(CH₄)均是化学稳定、 温室效应较大的分子, 因而对其活化、 转化和利用的研究具有显著的理论和实际意义. 本文采用密度泛函理论方法, 计算研究了羟基氧化铟团簇与CO₂, CH₄和(CO₂+CH₄)的作用. 结果表明, 氧化铟团簇通过其活性位点—In—O(桥氧)—对CO₂和CH₄分子进行[2+2]加成活化, 而羟基的引入调变了氧化铟团簇活性位点上的局部电荷, 显著降低了其与CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒, 使得CO₂和CH₄分子的活化变得容易进行. 活性位点—In—O(桥氧)—中的In, O上的局部电荷差值(q_In－q_O)越大, 其对CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒越低. 羟基氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子由羟基氧化铟流向CO₂和CH₄分子(亲核活化); 而羟基引入前的氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子则由CO₂和CH₄分子流向氧化铟(亲电活化).     

HSAPO-34 分子筛上氧鎓叶立德机理的第一性原理研究

 采用基于周期性边界条件的密度泛函理论研究了 HSAPO-34 分子筛上甲醇通过氧鎓叶立德机理直接耦合生成乙烯的可能性. 结果表明, 二甲醚和三甲基氧鎓离子在 HSAPO-34 分子筛上的生成能垒分别为 1.68 和 0.93 eV, 中间体氧鎓叶立德不能稳定存在, 同时表明 C–C 键通过协同反应形成的能垒均超过 3.0 eV. 因此, 甲醇制烯烃催化过程不可能遵循氧鎓叶立德机理.     

SAPO-34晶粒形貌对甲醇转化制低碳烯烃反应的影响

分别采用微波和水热法合成了具有片状及立方结构的SAPO-34分子筛.结果发现,片状SAPO-34分子筛晶粒厚度为130nm,比表面积为593m²/g;立方结构SAPO-34分子筛粒径为1.5-2.5μm,比表面积为708m²/g.二者具有数量相近的强酸中心,后者的弱酸位数量略少.甲醇制烯烃反应结果表明,在450℃和1.0h^-1的反应条件下,片状SAPO-34分子筛的催化寿命可达380min,乙烯选择性最高为51.77%,乙烯、丙烯及丁烯的总选择性最高为90.20%;而立方结构SAPO-34的催化寿命仅为212min,乙烯选择性最高为49.84%,乙烯、丙烯及丁烯的总选择性最高只有86.81%.这可能源于片状晶粒的扩散路径较短,抑制了低碳烯烃的进一步转化及积碳的生成,因此具有较高的低碳烯烃选择性及较长的寿命.     

SAPO-35分子筛的合成及其甲醇制烯烃反应性能

以六亚甲基亚胺为模板剂,采用水热法合成了不同硅含量的磷酸硅铝分子筛SAPO-35,并利用X射线衍射、X射线荧光光谱、扫描电镜、固体核磁、X射线光电子能谱和N₂吸附-脱附等方法对样品进行了表征.研究了不同硅含量的SAPO-35分子筛在甲醇转化制烯烃反应中的催化行为,同时对比分析了具有相近硅含量的SAPO-35和SAPO-34分子筛在甲醇转化反应过程中积炭物种随反应时间的演变特征,尝试将分子筛结构和其积炭失活行为进行了关联.     

Control of Surface Barriers in Mass Transfer to Modulate Methanol-to-Olefins Reaction over SAPO-34 Zeolites

Mass transfer of guest molecules has a significant impact on the applications of nanoporous crystalline materials and particularly shape-selective catalysis over zeolites. Control of mass transfer to alter reaction over zeolites, however, remains an open challenge. Recent studies show that, in addition to intracrystalline diffusion, surface barriers represent another transport mechanism that may dominate the overall mass transport rate in zeolites. We demonstrate that the methanol-to-olefins (MTO) reaction can be modulated by regulating surface permeability in SAPO-34 zeolites with improved chemical liquid deposition and acid etching. Our results explicitly show that the reduction of surface barriers can prolong catalyst lifetime and promote light olefins selectivity, which opens a potential avenue for improving reaction performance by controlling the mass transport of guest molecules in zeolite catalysis.     

Theoretical Study on a 42 T Model of Beta Zeolite by Density Functional Theory Simulation

Density functional theory was applied to study the structure of Beta zeolite. A model cluster containing 41Si atoms, 1 Al atom, 70 O atoms and 29 H atoms was constructed. The model structures were optimized using the Becke＇s three-parameter hybrid method with the Lee-Yang-Parr correlation functional （B3LYP） and the 6-31G basis set applying the Gaussian03 program package. The NMR parameters were calculated to validate the rationality of the model. It was found that in the optimization models, all O-H bond lengths were in range of 0.984-0.985A^°, among which the model with O-H bond length of 0.98478A^° was more stable than the others. The ^1H and ^27Al chemical shifts of the most stable model were 4.03434 and 55.74 ppm, which were pretty consistent with Larry＇ s experimental data of 4.1 and 54 ppm. The relationship between other structure parameters and total relative electric energy has also been found. All the results exhibit that the 42 T （the total number of Si and Al atoms is 42） model has common properties of the standard of zeolite Beta.     

富勒烯结构B_(80)分子静电势的理论研究

在混合密度泛函B3LYP理论下,用6-31G*基函数对富勒烯结构B80分子的3个异构体(1个具有Ih对称性,2个具有Th对称性)构型进行优化和分子静电势计算.结果表明:3个异构体球内全部为正电势,球外五元环中心所对应的区域都为负电势,B80Ih,Th(A)和Th(B)球外静电势的最大负值分别对应于20个六元环中心的B原子,五元环中心和12个六元环中心的B原子周围,它们组成了化学反应中最可能的活性点.     

金催化CO氧化湿度增强效应的理论研究

实验发现纳米金催化的CO氧化有良好的湿度增强效应,但有关机制仍不清楚.我们应用密度泛函理论研究了湿度增强效应的微观机制,以Au4团簇为例,研究了金催化CO氧化的微观机理,考察了H2O在反应中的角色和作用.计算结果表明,H2O与Au4团簇一样,在反应中扮演催化剂的角色,参与反应的进行、改变反应历程、降低反应能垒.催化循环包含4个基元步骤：O2＋H2O→OOH＋OH,CO＋OOH→CO2＋OH,CO＋OH→COOH,和COOH＋OH→CO2＋H2O,其中自由基OOH和OH的形成是催化循环的速控步骤,其能垒为100.31kJ/mol,明显低于非水参与反应的能垒（161.41kJ/mol）.目前的结果合理地解释了实验观测的CO催化氧化的湿度增强效应,给出了其微观反应机制.     

Insight into the Dual Cycle Mechanism of Methanol-to-Olefins Reaction over SAPO-34 Molecular Sieve by Isotopic Tracer Studies

Methanol-to-olefins(MTO) reaction is one of the important non-petroleum routes to produce light olefins over acidic molecular sieves. In this study, the complete reaction course of MTO on SAPO-34 molecular sieve with retained organics evolution from induction period to deactivation period was investigated systematically at different weight hourly space velocities(WHSV) of methanol. By the aid of ¹²C/¹³C-methanol isotopic switch experiment, the dual cycle mechanism involving aromatics-based cycle and alkenes-based cycle was evaluated during the whole reaction process. The detailed reaction route varied with the evolution of the retained organics in the catalyst at different reaction stages. The aromatics-based cycle and alkenes-based cycle alternately dominate the reaction process. In the efficient reaction period, aromatics-based cycle is the main reaction mechanism, while in the induction and deactivation periods, the contribution of alkenes-based cycle mechanism will become more important.     

Theoretical Study of Ethanethiol Adsorption on HZSM-5 Zeolite

The density functional theory and the cluster model methods have been employed to investigate the interactions between ethanethiol and HZSM-5 zeolites. Molecular complexes formed by the adsorption of ethanethiol on silanol H3SiOH with two coordination forms, model Bronsted acid sites of zeolite cluster H3Si(OH)Al(OH)2SiH3 interaction with ethanethiol, aluminum species adsorbed ethanethiol have been comparatively studied. Full optimization and frequency analysis of all cluster models have been carried out using B3LYP hybrid method at 3-21G basis level for hydrogen atoms and 6-31G(d) basis set level for silicon, aluminum, oxygen, carbon, and sulfur atoms. The structures and energy changes of different coordination forms of H3Si(OH)Al(OH)2SiH3-ethanethiol, silanol-ethanethiol and Al(OH)3-ethanethiol have been studied. The calculated results showed the nature of interactions was van der Waals force as exhibited by not much change in geometric structures and properties. The preference order of ethanethiol adsorbed on HZSM-5 zeolite may be residual aluminum species, bridging hydroxyl groups and silanol OH groups from the adsorption heat. The adsorbed models of protonized ethanethiol on bridging hydroxyl OH groups and linear hydrogen bonded ethanethiol on bridging OH groups suggested in literature might not exist as revealed by this theoretical calculation. Possible adsorption models were obtained for the first time.