碳材料表面化学结构对SO2吸附及氧化影响的量子化学研究

摘要

我国燃煤造成的SO2污染严重，发展节水型、可资源化的干法脱硫技术是未来的发展趋势。研究二氧化硫在碳材料中的吸附及氧化机制是定向制备高性能脱硫用碳材料，发展基于多孔碳材料的干法脱硫技术的关键科学基础。本文采用密度泛函（DFT）方法，综合静电势分析、非键相互作用分析、能量分解等多种分析方法研究碳材料表面化学结构如酸性含氧官能团、含氮官能团、不饱和碳原子对于SO2吸附与氧化过程的影响及其作用机制，为开发高性能脱硫碳基材料应用于干法烟气脱硫技术提供理论指导。
　　本文首先构建含有酸性含氧官能团的碳质表面模型，结合非键相互作用分析以及马利肯布居分析发现SO2在未改性的碳质表面内主要吸附在碳基面上，酸性含氧官能团如羧基、酚羟基、内酯等，可以促进SO2在碳材料边缘的物理吸附。酸性含氧官能团与SO2之间作用的本质为弱的氢键，SO2无法直接化学吸附在酸性含氧官能团上。酸性含氧官能团对于SO2在不饱和碳原子上的化学吸附没有显著的影响，改性碳材料使其获得更多的酸性官能团的过程可能使得不饱和碳原子被氧化，而失去化学吸附SO2的能力。
　　在以上研究基础上，为研究氮掺杂对于SO2吸附的影响，同时考虑到模型大小及氮掺杂位置对计算结果造成的影响，本文构建了五种大小的碳质模型，并在不同位置掺杂N元素。研究结果表明，SO2在纯碳表面主要在基面上，而在纯碳表面边缘较难吸附，SO2与纯碳表面之间主要通过色散力吸附，当模型的稠环个数大于14时，边缘效应的影响可以忽略。SO2在吡啶及吡咯氮掺杂表面的吸附表明吡啶氮掺杂的位置、模型大小对吸附能大小没有显著影响，有明显局域化效应，吸附能贡献主要来自于静电相互作用，静电势分析、能量分解计算以及非键相互作用分析均证明这一观点。
　　最后，构建碳质表面模型研究氧气非解离吸附条件下SO2的氧化反应机制。研究表明，SO2氧化首先必须经历氧气的非解离吸附反应，分两步进行。其中第一步反应可以自发进行，而第二步反应需要活化能80.2kJ/mol。氧化反应共需四步，经历两个过渡态，需要的活化能分别为60.4kJ/mol和57.4kJ/mol。脱硫反应的速控步骤在于第二个SO3分子的脱附。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 碳基材料脱硫过程简析

1.3 SO2吸附及氧化机制研究进展

1.4 量子化学方法简介

1.5 本课题主要研究内容

第2章 酸性含氧官能团对SO2物理、化学吸附的影响

2.1引言

2.2模型构建及计算方法介绍

2.3结果分析与讨论

2.4 本章小结

第3章 含氮官能团对SO2物理、化学吸附的影响

3.1引言

3.2模型构建与计算方法介绍

3.3结果分析与讨论

3.4本章小结

第4章 SO2催化氧化机制

4.1 引言

4.2. 模型构建于计算方法介绍

4.3 结果分析与讨论

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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