基于密度泛函理论的催化剂筛选及机理研究

摘要

近十多年来，密度泛函理论（Density functional theory,DFT）作为研究多相催化反应的有力工具发展迅速。密度泛函理论能够为多相催化反应提供更多原子级别的理解，结合具体的反应机理探讨和微观动力学模型，可以获得真实反应条件下的活性数据。再通过构建线性关系，可以将一个反应的活性和选择性这样多变量的问题凝练到以一个或者少数几个关键点决定的问题，即所谓的活性描述符。从而更好地理解催化反应，实现以计算为起点的催化剂设计。 本论文的第一部分通过概率分析对丙烷脱氢催化剂进行了筛选，在一定程度上克服了传统计算筛选误差大的缺点。在筛选的结果中可以发现丙烷脱氢的活性和选择性相互制约，活性越高，选择性越低，并且大致呈现线性关系。通过概率分析，发现丙烯吸附能可以作为丙烷脱氢性能的描述符，用来估算整体的活性和选择性。通过初步的筛选和进一步的机理探讨，发现Pt3In是丙烷脱氢的最优比例，能在有一定活性的损失情况下，获得选择性的极大提升。且第一步脱氢反应在大多数的晶面上均为速控步骤。d带中心和丙烯吸附能同样存在线性关系，结合前面丙烯吸附能和丙烷脱氢性能的关系，使得可以调控d带中心来获得更高的丙烷脱氢性能。 复杂的丙烷脱氢反应性能可以很好地被降维到丙烯吸附能这样单一的活性描述中，大大简化了对丙烷脱氢催化剂筛选的难度。受此启发，第二部分工作通过构建电离能和反应中间体吸附能的线性关系，降维反应体系的复杂度，更好地理解表面氧化反应。从初始构想电离能和吸附能的类比，到用电子转移作为一个桥梁来理解电离能和吸附能之间的线性关系。更进一步，构建的成键模型结合晶体场理论，态密度分析和COHP分析，发现电离能越大，d能带就越低，和表面吸附质相互作用之后反键轨道的填充度就越高，吸附能就越小这一规律。目前为止，本描述符已经被广泛应用到了不同的氧化物，金属，氮摻杂的石墨烯和分子筛中。更有意思的是，这个活性描述符甚至不需要电子结构的计算，节省了大量计算时间。这个描述符也具有实用性，可以用来理解甲烷部分氧化制甲醇的反应的活性和选择性。这个模型在未来可以为其他多相催化领域氧化反应催化剂的探索提供新的指引。

目录

声明

第1章 理论基础

1.1 Schr?dinger方程及其近似

1.2 密度泛函理论

1.3 布洛赫定理和k点选取

1.4 赝势

1.5 计算集群及模拟软件

第2章 绪论

2.1 丙烷脱氢反应

2.1.1 丙烷脱氢背景

2.1.2 丙烷脱氢催化剂

2.2 活性描述符的构建

2.2.1 基于材料电子结构性质的活性描述符

2.2.2 基于反应中间体吸附能的活性描述符

2.2.3 基于表面简单物理性质的活性描述符

2.3 论文选题意义及工作设想

第3章 基于概率分析的丙烷脱氢催化剂筛选

3.1 前言

3.2 计算和实验方法

3.2.1 基本计算参数

3.2.2 微观动力学模拟

3.2.3 实验方法

3.3 计算结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 利用电离能作为活性描述符预测表面氧化反应活性

4.1 前言

4.2 计算方法与模型

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢