【摘 要】
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国内外天然气和页岩气的储量非常丰富,其主要组成成分是甲烷。高效利用这些较廉价、无污染的自然资源,将甲烷转化成高附加值化学品如乙烷、乙烯等具有高效的经济效益。甲烷分子很稳定,C-H键活化困难,是目前急需解决的科学问题。需要使用高效的催化剂催化转化甲烷。本论文使用密度泛函理论计算杂原子掺杂Mg O（100）催化甲烷氧化偶联反应（OCM）的反应活性位、反应路径和反应机理。认识C-H键活化的本质,建立构效
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国内外天然气和页岩气的储量非常丰富,其主要组成成分是甲烷。高效利用这些较廉价、无污染的自然资源,将甲烷转化成高附加值化学品如乙烷、乙烯等具有高效的经济效益。甲烷分子很稳定,C-H键活化困难,是目前急需解决的科学问题。需要使用高效的催化剂催化转化甲烷。本论文使用密度泛函理论计算杂原子掺杂Mg O（100）催化甲烷氧化偶联反应（OCM）的反应活性位、反应路径和反应机理。认识C-H键活化的本质,建立构效关系。为设计OCM反应高效催化剂打下理论基础。不同杂原子调变Mg O（100）催化剂在OCM反应中的作用是不同的。杂原子Li使得Mg O（100）催化剂表面暴露出更多的缺陷位,如（110）和（111）晶面。杂原子Mo没有改变Mg O（100）表面的结构,但是Mo掺杂可以使Mg O（100）表面吸附活化气相氧分子,活化的吸附氧可以活化甲烷分子。杂原子Li和Mo掺杂在Mg O（100）催化剂中,均提高了催化剂的催化性能。使用密度泛函理论（DFT）计算Mg O（110）催化甲烷C-H键活化的反应路径和反应机理。结果表明甲烷和氧气分子共同吸附在Mg O（110）上时,表面晶格氧夺取甲烷中的H原子,甲烷分子中的C-H键均裂断裂,生成甲基自由基,活化能为0.70 e V;甲烷C-H键异裂断裂的反应活性位是催化剂表面O-Mg,需要0.45 e V的活化能,吸附甲基的脱附能为0.41 e V。两个反应的速控步均是C-H键活化,异裂断裂更有利于OCM反应的进行。使用DFT计算Mo-Mg O（100）催化甲烷C-H键活化的反应路径和反应机理。结果表明杂原子Mo掺杂可以使Mg O（100）上的Mg都能够吸附活化气相氧分子。活化的气态吸附氧作为反应位,有利于甲烷C-H键活化,然而甲烷C-H键异裂活化时,吸附在活化气相氧上的甲基脱附能大,不利于甲基自由基产生。催化剂表面晶格氧作为反应位,都不利于C-H键活化。Mo-Mg O（100）催化甲烷C-H键断裂不需要克服能垒的值,只需达到C-H键分解吸附能的值就可以活化C-H键。
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