密度泛函理论研究不同尺寸的纳米金团簇AuNq(N=1-8,q=0,±1)催化丙烷脱氢反应的机理

摘要

丙烯是石油化工领域非常重要的一种基础原料，它是选择性合成乙醇、乙醛、异丙醇、羧酸、丙烯腈、丙酮、丁醇、丙烯酸等的主要原料。在石油地质学和化学上为了得到乙烯和丙烯等低碳烯烃一般采用的方法是蒸汽裂化，但是目前生产丙烯的能力远远不能满足市场快速增长的丙烯需求量。因此由资源丰富的丙烷催化脱氢转化成丙烯作为增产丙烯的主要技术路线因其廉价的原料和较高的选择性在工业上有着良好的应用前景。
　　工业上催化丙烷转化为丙烯主要有两种方法：氧化脱氢(ODH)和脱氢。催化剂的选取是丙烷催化脱氢的关键。传统的实验筛选工作量大、周期长和实验成本高，用密度泛函理论进行计算可以很好的解决这些问题。
　　近年来，以金为代表的贵金属纳米团簇因其独特的物理化学性质受到广泛关注。Feyel等人发现气相VxOy+团簇的氧化脱氢活性和钒原子在VxOy+团簇中的实际价态以及钒的最高价态钒有关，这和固相氧化钒催化剂的活性相一致。气相实验也揭示了5d过渡态金属阳离子（例如Pt+,Os+,Ta+）比3d和4d的金属阳离子更容易通过金属-卡宾配合物金属嵌入机制使甲烷脱氢。最近，亚纳米Pt团簇Pt8-Pt10被认为对烷烃的催化脱氢具有高活性和选择性，其催化活性大约是VxOy和Pt系催化剂氧化脱氢的40-100倍活性并且保持生成丙烷的高选择性，Pt8-Pt10具有高活性和选择性的原因是Pt原子独特的从属配位和纳米团簇的量子效应。然而，金团簇对烷烃催化活性的研究非常有限。气相实验表明Au-对烷烃的作用很弱，中性金原子通过光解过程可以和甲烷反应得到一个嵌入产物，Au+在热条件下不和甲烷发生反应，我们发现纯的金团簇阳离子(Au+)在单次碰撞实验条件下和甲烷不发生反应，然而在多碰撞的条件下发现了聚甲烷分子的吸附。最近一次与温度有关的射频(RF)离子阱质谱仪测量和第一性原理理论计算揭示了Au2+能够选择性的活化甲烷，生成乙烯和氢气，并详细研究了甲烷和AuN+(N=2–6)的结合能表明随着金团簇尺寸的增大结合能迅速降低的强尺寸效应。
　　为了解金团簇对丙烷脱氢的催化活性，本文对丙烷脱氢的反应机理进行了研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，通过密度泛函对一系列中性以及带电荷的金团簇进行了详细的研究。通过比较在不同纳米尺寸、不同电性的Au团簇上丙烷分子脱氢的活性和丙烯选择性，解释Au团簇催化剂的量子尺寸效应。

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第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2 丙烷脱氢制取丙烯的方法

1.3 纳米金团簇催化剂研究进展

1.4 研究思路

第2章 理论背景

2.1 基础理论与计算化学的发展

2.2密度泛函理论

2.3量子化学近似方法

2.4 Gassian 软件

第3章 不同尺寸的阳离子纳米金团簇催化丙烷脱氢反应机理

3.1 引言

3.2 金团簇催化丙烷脱氢反应机理

3.3 阳离子金团簇催化单分子丙烷脱氢反应中的吸附能及反应能垒

3.4 阳离子金团簇催化单分子丙烷脱氢的反应路径

3.5 阳离子金团簇催化双分子丙烷脱氢的反应路径

3.6计算方法

3.7 小 结

第4章 不同尺寸的中性纳米金团簇催化丙烷脱氢反应机理

4.1 引言

4.2 中性金团簇催化丙烷脱氢反应机理

4.3 中性金团簇催化单分子丙烷脱氢反应中的吸附能及反应能垒

第5章 结 论

参考文献

致谢

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