Fe-Pt双金属催化酚类化合物加氢脱氧的理论研究

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催化加氢脱氧是木质素基生物油提质升级的重要手段,Fe基催化剂是其中非常重要的一类加氢脱氧催化剂。亲氧性的铁对含氧化合物(如酚类)具有优异的脱氧选择性,在Fe中加入少量贵金属Pt有利于稳定催化剂表面结构并促进表面H*物种形成。Pt-Fe双金属催化剂的表面组成和结构及Pt与Fe之间的相互作用会影响加氢脱氧催化活性和产物选择性。本课题基于密度泛函理论(DFT)计算,研究了酚类化合物在Pt-Fe双金属表面的吸附活化和加氢脱氧反应机理。通过反应路径和基元反应动力学能垒分析,阐明影响C-O键裂解活性的关键参数,揭示Pt-Fe表面结构对酚加氢脱氧活性和选择性的影响,加深了对双金属协同催化作用的理解。对于Fe的不同表面,阶梯状的(211)表面上对于酚中含氧官能团的选择性脱除具有优势。选用Fe(211)表面为基底,研究单个Pt原子的不同引入方式(单位点取代和负载)以及不同Pt含量对反应机理的影响。两个1Pt-Fe表面上C-O键活化和裂解的电子作用机制存在差异,单Pt原子负载的1Ptads-Fe(211)表面上酚的选择性脱氧性能更优,但是两者差异并不明显。通过研究负载不同大小Ptn团簇(n=1、4、10)的Fe(211)表面以及Fe3Pt1(111)合金表面,探究提高Pt含量对于加氢脱氧反应的影响。Ptn团簇的大小会导致催化剂表面电子性质的不同,进而影响酚的吸附和反应性能。负载大小适中的Ptn团簇有利于愈创木酚的选择性脱氧。Fe基催化剂优异的C-O键活化能力也会导致催化剂自身在反应过程中发生氧化。为探明铁基催化剂表面氧化对酚脱氧反应性能的影响,研究了Pt10/Fe2O3表面上愈创木酚的吸附活化和C-O键断裂反应,发现表面过度氧化会增加脱氧反应的难度。本课题从分子水平对催化剂的组成、表面结构、电子作用机制、吸附活化、反应机理以及能量路径进行深入研究,以期为新型高效加氢脱氧催化剂优化设计提供理论参考。
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