MFI型沸石基催化剂内分子扩散行为研究

摘要

ZSM-5沸石基催化剂自从被人工合成以来，已经广泛应用于石油炼化催化等工业。对ZSM-5催化剂催化效率的讨论与研究也不断地展开。由于实验条件的限制，对于ZSM-5沸石内部的客体物质的运动无法直观地观测，而提高催化剂效率的研究需要从沸石内的扩散机理寻找理论依据。而分子动力学(Molecular Dynamics，MD)方法是目前较为流行的研究分子传递性质以及体系平衡的手段之一。本论文则运用分子动力学方法对客体扩散物分子的扩散行为进行研究，以探索沸石内扩散物的扩散机理。主要内容如下:
　　(1)通过采用包含静电作用的Buckingham势构建了ZSM-5沸石结构模型;采用包含键角关系的谐势构建了乙烯、丙烯、甲醇和异丙苯分子的分子结构;并采用L-J12-6势描述了各个客体分子与沸石间作用关系。由于构建扩散物分子模型时分别采用了全原子分子模型和联合原子分子模型，本论文对不同种分子模型对扩散系数的影响进行了讨论。对构建好的沸石结构，进行了热稳定性模拟，保证在热力学条件下的结构稳定。所构建的四种分子都具有良好的几何结构和热稳定性质。
　　(2)对模拟环境弛豫过程的能量变化进行了研究，并就扩散物分子的初始化位置展开了讨论。在此基础上，对所构建的四种扩散物分子分别于100℃至500℃范围内的单分子扩散进行了模拟。模拟通过追踪了扩散物分子的运动并输出坐标文件，计算其自扩散系数。通过模拟，发现了各扩散物分子在沸石中的自扩散系数随温度的变化不断升高。但不同种扩散物分子间的自扩散系数存在差异，主要受制于扩散物分子的分子结构与分子尺寸。同时对扩散物分子在沸石里的Straight孔道和Zigzag孔道中的扩散行为分别进行研究。其中Straight孔道的结构简单，尺寸较大，易于扩散物分子的扩散运动;Zigzag孔道的结构复杂，尺寸较小，仅有利于小分子扩散物的扩散运动。
　　(3)通过增加单位沸石体积内的同种扩散物分子的数量，考察了高浓度下各个扩散物分子的自扩散系数的变化情况。通过模拟发现随着浓度的升高，各个扩散物分子的扩散运动均有不同程度的削弱。浓度对甲醇和异丙苯分子的在沸石中的运动影响较大，对烯烃类分子的影响则较小。模拟体系的温度变化对多分子环境下的扩散物分子在沸石中的运动会逐渐变弱。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 沸石基催化剂

1．2 扩散

1．2．1 分子扩散的概念

1．2．2 扩散系数

1．3 研究方法

1．3．1 系综

1．3．2 分子动力学模拟

1．3．3 力场

1．3．4 模拟硬件及软件概述

1．4 前人相关研究成果

1．5 本论文的研究内容

第二章 沸石及分子结构的构建

2．1 引言及模拟方法

2．2 ZSM-5沸石基分子筛的构建

2．2．1 ZSM-5分子的构建

2．2．2 ZSM-5构建分析

2．3 扩散物分子的构建

2．3．1 乙烯分子的构建

2．3．2 丙烯分子的构建

2．3．3 甲醇分子的构建

2．3．4 异丙苯分子的构建

2．4 分子稳定性

2．4．1 沸石结构的热稳定性

2．4．2 扩散物构建的分子模型对比

2．5 本章小结

第三章 单分子扩散物在沸石内的扩散

3．1 引言及模拟方法

3．2 弛豫过程及能量输出分析

3．3 扩散物初始化位置的研究

3．4 单分子扩散物的混合扩散行为及温度影响

3．4．1 混合孔道扩散系数

3．4．2 不同分子扩散系数的研究

3．5 扩散物在不同孔道中的扩散分析

3．6 本章小结

第四章 多负载扩散物在沸石内的扩散

4．1 引言及模拟方法

4．2 高负载环境下的扩散行为

4．3 负载量对扩散的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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