碳化钼基催化剂催化丙烯醛加氢的理论研究

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α,β-不饱和醇在精细化工和医药领域具有较高应用价值。目前在生产不饱和醇的工艺中,由α,β-不饱和醛选择性加氢制备α,β-不饱和醇工艺,因其绿色环保,原料廉价易得,被广泛应用,该方法涉及C=C键和C=O键,一般情况下C=C键比C=O键在热力学和动力学上更容易氢化。因此需要寻找合适的催化剂来控制加氢的选择性。贵金属虽然催化效果好,但价格昂贵,资源匮乏。过渡金属碳化物因其优异的物化性质(硬度高、熔点高、导电性强和化学性质稳定)而受到广泛的关注。在各种过渡金属碳化物中,Mo2C具有类Pt性质,在实验研究中对不饱和醇选择性较好。因此,在本次研究中,将Mo2C(001)面作为催化剂模型,采用密度泛函理论方法研究丙烯醛在Mo2C(001)、Pt/Mo2C(001)、Ir/Mo2C(001)和Mo2C/γ-Al2O3(110)催化剂表面进行选择性加氢的机理。其主要内容如下:本文构建了Mo2C(001)和Pt/Mo2C(001)催化剂模型,并研究了丙烯醛在两种催化剂模型上的吸附构型、吸附能、反应过程中活化能、反应能、键长及得失电子变化情况。通过键长分析可知,丙烯醛加氢是一个拉伸过程。通过电子分析可知,Mo原子夺取周围Pt和C原子的部分电子,从而使Pt原子周围的Mo原子加氢活性增强,形成以Pt原子相邻Mo原子为主的局域活性位点,导致吸附质在Pt/Mo2C(001)表面的吸附能比在Mo2C(001)表面吸附能大。Pt/Mo2C(001)表面部分反应活化能降低,对C=O键具有更高选择性,生成的丙烯醇不易再次发生加氢反应,具有良好的稳定性。通过丙烯醛加氢过程中各吸附质在催化剂表面稳定的吸附构型可以看出,随着H原子加入,吸附质逐渐远离催化剂表面。建立了Ir/Mo2C(001)催化剂模型,并与Mo2C(001)和Pt/Mo2C(001)催化剂模型进行对比。电子分析结果表明Ir原子向Mo原子转移电子。与Mo2C(001)和Pt/Mo2C(001)表面相比,吸附质在Ir/Mo2C(001)表面吸附能更大。在Ir/Mo2C(001)表面丙烯醛加氢具有活化能较低的丙烯醇生成路径,且对丙烯醇的选择性高于Pt/Mo2C(001)表面。之后构建了以γ-Al2O3(110)为载体的Mo2C/γ-Al2O3(110)模型催化剂,与Mo2C(001)催化剂进行对比发现Mo原子得电子较多,吸附质的吸附能也比Mo2C(001)表面大,导致Mo2C/γ-Al2O3(110)对丙烯醇具有较好选择性。
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