TiO2负载Pd4簇催化剂催化乙炔选择性加氢机理的密度泛函理论研究

摘要

本文基于库伦修正的密度泛函理论(DFT+U)对乙炔在负载着金属Pd4簇TiO2表面的选择性加氢反应进行了系统的研究，探讨了负载型催化剂在不同形态TiO2表面，以及Ag助剂添加后催化剂表面乙炔选择性加氢的反应历程。在分子水平上探讨复杂催化反应的实质，解释实验现象，验证实验规律，从而为设计出性能优良的催化剂提供理论指导。
　　 1.第二章主要介绍乙炔在气态金属Pd4簇表面和负载着金属Pd4簇的理想和缺陷锐钛矿TiO2(101)表面的加氢反应机理。Pd4簇在理想锐钛矿表面会形成四面体结构，但是在缺陷TiO2(101)表面金属Pd4簇会移动到氧空穴处形成扭曲的四面体结构。氧空位的产生使得金属簇和底物的相互作用明显增强，这是因为电荷在金属和载体表面发生了转移。此外，与理想锐钛矿相比，缺陷锐钛矿表面具有较高的乙炔加氢活性，可能的原因在于含缺陷的锐钛矿载体与金属簇之间有强相互作用，促成了吸附分子在其表面的脱附。
　　 2.第三章主要介绍乙炔在负载着金属Pd4簇的缺陷锐钛矿(101)和金红石(110)表面的加氢机理。由于Ti3+的存在，气态金属簇在缺陷锐钛矿表面的吸附强度大于其在缺陷金红石表面的吸附。因此，乙炔和乙烯等吸附分子在缺陷锐钛矿表面吸附热较低。缺陷锐钛矿催化剂的加氢选择性高于金红石催化剂。一方面，乙烯的生成活化能在两个表面相差不大，但金红石表面的乙烯在进一步加氢反应中具有较低的活化能垒。另一方面，在锐钛矿表面乙烯具有较低的脱附热，更容易发生脱附，提高其选择性。我们采用了过渡态能量分解和微观动力学模拟等方法来加深对其的理解。
　　 3.第四章主要介绍乙炔在负载着金属Ag取代的金属Pd4簇的缺陷锐钛矿(101)催化剂表面的选择性加氢。与金属Pd4簇相比，金属Ag添加比例的增加，会降低簇在TiO2表面的吸附强度，同时降低C2吸附分子在催化剂表面的吸附强度。此外，Ag的加入不仅改变了吸附物种在催化剂表面的吸附构型也改变了催化剂的催化性能。乙炔加氢反应路径在负载着PdAg3簇的TiO2(101)表面的结果显示Ag助剂的加入降低了锐钛矿催化剂的催化活性，提高了乙烯的选择性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 乙炔选择性加氢反应的研究意义

第二节 乙炔选择性加氢催化剂的研究现状

1.2.1 金属表面的乙炔加氢

1.2.2 双金属合金表面的乙炔加氢

1.2.3 负载型催化剂表面的乙炔加氢

第三节 乙炔加氢反应的量子化学研究

1.3.1 乙炔加氢反应机理

1.3.2 理论基础及计算方法

第四节 本文研究工作的内容

第二章 锐钛矿(101)表面氧缺陷对金属Pd簇催化乙炔加氢反应性能的影响

第一节 研究背景

第二节 计算方法和模型

第三节 结果和讨论

2.3.1 锐钛矿TiO2(101)的理想与缺陷表面

2.3.2 Pd4簇在锐钛矿表面的吸附

2.3.3 乙炔选择性加氢的研究

2.3.4 电荷性质分析

第四节 本章小结

第三章 金红石/锐钛矿负载金属Pd簇催化剂催化乙炔加氢性能差异的理论研究

第一节 研究背景

第二节 计算方法和模型

第三节 结果和讨论

3.3.1 金红石TiO2(110)的理想与缺陷表面

3.3.2 Pd簇在缺陷金红石表面的吸附

3.3.3 乙炔在负载着Pd4簇金红石表面的选择性加氢

3.3.4 电荷性质分析

3.3.5 微观动力学模拟

第四节 本章小结

第四章 Ag助剂对Pd4/TiO2(101)催化乙炔加氢性能的影响

第一节 研究背景

第二节 计算方法和模型

第三节 结果和讨论

4.3.1 Pd4，Pd3Ag，Pd2Ag2，PdAg3簇在TiO2表面的吸附

4.3.2 乙炔在负载着PdAg3簇缺陷锐钛矿TiO2(101)表面的选择性加氢

4.3.3 电荷性质分析

第四节 本章小结

第五章 本论文的主要结论及对后期工作的展望

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间研究成果