Zr-SBA-15分子筛催化乙醇制1,3-丁二烯反应的DFT研究

发布时间：2020-06-17 23:24

【摘要】：1,3-丁二烯是一种重要的化工原料,被广泛应用于合成橡胶等领域中。目前工业上主要由乙烯副产抽提法生产1,3-丁二烯,但该方法存在1,3-丁二烯产量依赖于乙烯的弊端。近年来,随着乙醇生产技术的发展,由乙醇生产1,3-丁二烯的工艺再次受到了国内外研究者的重视。Zr-SBA-15改性杂原子分子筛作为新型催化剂在催化乙醇制1,3-丁二烯领域具有独特的优势。本文使用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)方法,构建Zr-SBA-15改性杂原子分子筛催化剂模型。利用DFT方法研究了Zr-SBA-15催化剂表面物质吸附及电荷分布情况,从微观层面上探究催化剂表面乙醇制1,3-丁二烯的反应过程,并对助剂Y的添加对Zr-SBA-15催化剂的结构和催化性能的影响进行了系统研究。首先,本文采用DFT方法,对Zr-SBA-15分子筛催化剂表面性质及乙醇制1,3-丁二烯反应中所涉及关键反应物种的吸附情况及电荷分布情况进行了系统研究。通过研究Zr-SBA-15上各相关物种吸附与共吸附行为,确定了这些相关物种在催化剂表面的稳定吸附构型。研究了Zr原子位点在吸附反应涉及关键物种中的作用。其次,本文探索了Zr-SBA-15分子筛催化剂对乙醇制1,3-丁二烯反应过程的催化作用。通过对反应网络的系统计算,研究了Zr-SBA-15改性杂原子分子筛催化剂表面催化乙醇制1,3-丁二烯反应的反应路径。研究发现,乙醇脱氢、羟醛缩合、MPVO还原反应路线为Zr-SBA-15分子筛催化剂上乙醇制1,3-丁二烯的可能反应路径,且羟醛缩合反应为该路径中的关键步骤。降低羟醛缩合反应的反应能垒,能够提高催化剂反应活性,为研究提高催化剂活性奠定基础。最后,在Zr-SBA-15分子筛催化剂中添加稀土金属助剂Y,研究助剂的添加对Zr-SBA-15催化剂的结构和催化活性的影响。研究发现,Zr-O-Y结构中的桥氧原子Ob~1在反应中起到重要的作用。助剂Y的添加使Zr-O-Y结构中的桥氧原子Ob~1表现为分子筛表面最强的碱性位和还原性位,改变关键步骤羟醛缩合反应路径,促进关键步骤乙醛羟醛缩合反应的进行,从而提高Zr-SBA-15催化剂的活性。
【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】：O623.122
【图文】：

分子模型,丁二烯,共聚物

灰色球：碳原子；白色球：氢原子图 1-1 1,3-丁二烯分子模型g. 1-1 The molecular model of 1,3-butad要基本有机化工原料，在工业上有是用来生产合成橡胶。1,3-丁二烯成各种橡胶或塑料共聚物[3-5]。最种共聚物被用来制作汽车轮胎。加入热塑性塑料中。共聚物比单广泛的用途使各个国家认识到其十也逐年上涨[6, 7]。总产能处于持续增长的状态，但是012 年，我国 1,3-丁二烯进口量增

乙醇,构型,情形,分子筛

(a) (b) (c)图 2-2 Zr-SBA-15 分子筛表面上乙醇在不同吸附情形下的稳定吸附构型图Fig.2-2 Optimized configurations of ethanol in different adsorption situations on Zr-SBA-15 .表 2-5 列出了 Zr-SBA-15 催化剂表面上乙醇不同吸附形式下稳定吸附构型所对应的 C-O 键长、O-H 键长、C-H 键长等几何构型参数。表 2-5 Zr-SBA-15 表面上乙醇在不同吸附情形下的吸附能及键长参数Table 2-5 Adsorption energies and related parameters for ethanol in different adsorptionsituations on Zr-SBA-15吸附情形吸附能键长( )C-O O-HαC-Ha 0.83 1.44 0.98 1.1b 0.31 1.43 0.97 1.1

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