π-络合吸附脱硫脱氮的理论计算研究

摘要

选择性吸附技术成为一种解决深度脱硫脱氮问题非常有前景的技术，本文应用DFT理论计算研究了一系列含硫杂环化合物(噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩和4,6-二甲基二苯并噻吩)、含氮杂环化合物(吡咯、吡啶)以及苯分子在金属阳离子改性的Y分子筛上的化学吸附。计算分别采用3T(H11Si2AlO4)、16T(H22Si15AlO22)、26T(H32Si25AlO36)和60T(H54Si59AlO147)分子筛模型，利用量子力学和ONIOM(Our-own-N-layer综合分子轨道+分子力学)两种方法完成。通过自然键轨道计算，研究了分子筛上担载的Cu(Ⅰ)、Ag(Ⅰ)、Ni(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)金属离子与噻吩、吡咯、吡啶和苯分子之间的π-络合作用，并探索其络合机理。得出的主要结论有： (1)Y分子筛担载过渡金属阳离子作为吸附剂，吸附效率为：Cu(Ⅰ)-Y＞Ag(Ⅰ)-Y＞Ni(Ⅱ)-Y＞Zn(Ⅱ)-Y。 (2)π-络合吸附剂对含硫和含氮杂环化合物的吸附能力大于对苯分子的吸附。 (3)碱金属离子改性的Y分子筛对含氮杂环化合物的吸附效率为：Li-Y＞Na-Y＞K-Y＞Cs-Y。 (4)NBO分析表明，Cu(Ⅰ)、Ag(Ⅰ)、Ni(Ⅱ)金属离子与含硫和含氮杂环化合物的结合是通过π-络合作用，即含硫和含氮杂环化合物的π-电子向过渡金属的s空轨道的σ-给予，而金属外层d电子向噻吩的σ*-轨道的d-σ*反馈，称为π-电子反馈。苯的π-络合吸附中，σ-给予是苯环π-轨道向过渡金属的s空轨道的电子流出，而π-电子反馈是金属外层d电子流向苯环π*-轨道。σ-给予和π-电子反馈对π-络合作用的贡献大小与分子结构有关。对噻吩、吡咯和吡啶的吸附σ-给予占优势，对苯的吸附π-电子反馈较强。Zn(Ⅱ)离子与噻吩和苯分子之间只存在σ-给予，未发现有π-电子反馈作用。 (5)采用26T和60T分子筛簇模型，利用量子力学和分子力学结合的ONIOM方法计算了噻吩类分子的吸附能，计算结果得到的吸附能与BLYP/DNP和B3LYP/6-311++G*大基组所得到的结果相当，但是更接近实验值。而计算所需CPU时间只是其他方法的1/4。此外，ONIOM方法能够反映出分子筛孔道骨架对吸附分子的色散作用，约占总吸附能的10﹪左右。因此，ONIOM方法在处理分子筛π-络合吸附作用具有更大的优势。

目录

摘要

第一章文献综述

第二章理论计算方法介绍

第三章Cu(Ⅰ)，Ag(Ⅰ)/分子筛化学吸附脱硫---DFT理论计算研究

第四章π-络合吸附脱除柴油中的含氮杂环化合物

第五章ONIOM方法研究分子筛的骨架对吸附脱硫的影响

第六章π-络合作用的电子结构分析

第七章结论

参考文献

致谢

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