基于密度泛函理论的乙炔加氢研究

发布时间：2020-05-23 15:20

【摘要】：乙烯工业是石油化工产业的核心,在国民经济中占有着重要的地位。目前乙烯主要由石油工业中石油烃蒸汽裂解的方式制得,以该方法制得的乙烯产品通常含有少量的乙炔杂质。乙炔组分会降低聚合催化剂的活性,从而影响由乙烯为原料的聚合物生成过程。通过催化加氢法可以除去乙炔,将乙炔转化为乙烯。历史上,实现过工业应用的乙炔加氢催化剂主要有Pd系催化剂等,到目前为止,Pd系催化剂一直以其优良的性能在工业应用中占据着主导地位。然而,Pd的贵金属本质使得Pd系催化剂成本偏高,因此寻找低价格低毒性环境友好型催化剂成为了当务之急。同时,该反应除生成乙烯以外,还存在过度加氢生成乙烷以及聚合反应生成1,3-丁二烯等聚合物等副反应。为此,人们试图通过在钯催化剂中加入第二种组分作为助催化剂的方法,来改善Pd系催化剂的加氢选择性与抗积碳性能。本文首先对Pd和Pd_3Sn的三种低指数表面(分别为(111)、(100)、(211)表面)以及PdSn(010)上的乙炔、乙烯以及1,3丁二烯的吸附性能、乙炔加氢及碳碳耦合反应活性以及选择性进行了探究。密度泛函理论计算结果表明Sn的加入降低了吸附质的吸附强度,提高了乙烯的选择性。同时,在PdSn(010)面上绿油生成量相比于纯Pd催化剂有所降低。另一方面,由于乙炔在催化剂表面的强吸附性能,探究吸附质的吸附能与覆盖度的关系就尤为重要。因此我们详细探究了乙炔、乙烯和氢原子在Pd(111)和Pd_3Sn(111)面上的竞争吸附情况。通过建立单一物种的高覆盖度模型分别获得三种吸附质的吸附能与覆盖度的线性关系,结合Langmuir吸附等温式计算得到乙炔、乙烯以及氢在实验条件下在催化剂表面的初始覆盖度。并基于此覆盖度的表面进一步探究乙炔加氢反应活性和选择性。发现Pd_3Sn(111)面的乙炔加氢活性高于Pd(111)面,这与低覆盖度模型的结果刚好相反,但与实验结果吻合。此外,本文还以Pd,Pt,Ir,Rh,Cu,Ag这6个具有代表性的过渡金属的(111)面作为计算模型,探究乙炔加氢反应性能。首先通过计算乙炔和1,3-丁二烯在各金属上的所有可能的吸附模式下的吸附能,从而确定其在金属上的稳定吸附位,明确吸附质在各金属上的吸附变化规律。接下来计算乙炔加氢过程中生成主产物乙烯、副产物乙烷和1,3-丁二烯的详细反应网络。通过生成乙烯的两步基元反应势垒的对比,确定可以描述生成乙烯活性的有效势垒,并将其与乙炔吸附能进行关联。通过计算生成1,3-丁二烯的三条反应路径的反应势垒,确定有效势垒最低的反应路径为优势路径,并以此路径的有效势垒描述绿油的生成情况。
【图文】：

表面能,点网络,吸附能,吸附质

天津大学硕士学位论文ton 展宽(宽度为 0.15eV)，直至结构能量达到最低，可格参数时采用（13×13×13）的 k 点网络能的定义为：ads total gas slabE E E E吸附质的吸附能，totalE 是吸附体系的总能，slabE 是洁吸附质的能量。totalE ，，slabE 的计算均按照前述计算方法孤立的吸附质分子或者基团放在一个 14 ×15 ×16 用（1×1×1）的 k 点网络。由此定义可知，吸附能是过程。

侧视图,俯视图,原子,粉色

(b) Pd(100), (c) Pd(211), (d) PdSn(010), (e) Pd3Sn(111), (f)dPd, and (h) Pd3Sn(211)八种表面的俯视图和侧视图。其中原子，粉色球代表 Sn 原子p and side views of (a) Pd(111), (b) Pd(100), (c) Pd(211), (d)d3Sn(100)-PdSn, (g) Pd3Sn(100)-PdPd, and (h) Pd3Sn(211) mlls denote Pd and Sn atoms, respectively. This definition is uspaper.表3-2 各表面的k点设置和晶胞结构Table 3-2 k-points and unit cell structure of each surfaceK-points (111) 3×3×1 (100) 3×3×1 (211) 3×2×1 n(111) 3×3×1 00)-PdPd 3×3×1
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O623.121

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