学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

金催化CO氧化与甲醇直接合成甲酸甲酸反应的理论研究

作　者: 刘栋
导　师: 张冬菊
学　校: 山东大学
专　业: 理论与计算化学
关键词: 密度泛函理论 Au团簇 CO氧化湿度增强效应甲醇甲酸甲酯
分类号: TQ225.241
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 38次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

黄金以其良好的可塑性,超高的化学稳定性和对生物体系无毒副作用等特点被人们所熟知。但由于它的化学惰性,一直以来人们认为它不会参与活泼的化学反应。自1985年日本Huruta课题组发现金催化一氧化碳具有超高催化活性以来,立刻引起人们的关注,各国科学家对金的催化性能进行了大量的研究,逐渐成为近年来国际学术界关注的研究热点之一。纳米金催化剂不仅具有很高的催化活性,而且还具有良好的抗水性、稳定性和湿度增强效应等好处,相比传统的金属催化剂性能更优秀,因此人们对它的催化效果以及将来的实际应用给予了厚望。近年的研究发现,金在CO氧化催化、选择性氧化、氮氧化物的还原、甲醇裂解等过程中有着较高的催化活性,受到各国科学家的关注和研究。近年来对纳米金的研究已经由材料科学延伸到生命、医药、电子等领域。CO是汽车尾气和工业生产中常见的有毒气体。它的大量生成造成很大的环境污染。人们对这一反应进行了大量的研究,但是大部分都是要在高温下进行。然而纳米金催化剂的发现很好的解决了这一问题。它能够在较低的温度下将CO氧化成CO2。目前,金催化的CO氧化反应是研究最多、效果最好的一个。研究发现水对金催化一氧化碳有重要的影响,那么水是如何影响到金催化一氧化碳氧化的呢?很多人从实验和理论上进行了研究,近年来的研究表明,纳米金催化的CO氧化有良好的湿度增强效应,随湿度的增加,催化活性明显增强。金对甲醇的裂解有一定的催化作用。金催化甲醇裂解主要应用于燃料电池中。Boccuzzi等人对金在燃料电池中催化甲醇裂解进行了一系列的研究,研究发现,在403 K时,金对甲醇解离就有良好的催化效果,发现反应中有甲醛和甲酸盐生成。对于催化甲醇裂解反应,金催化剂效率较高、选择性较强。尽管金的催化性能稍逊与铂,但其的价格相对便宜,所以在催化领域有广阔的应用前景。甲酸甲酯工业制法条件苛刻,产率不稳定,需要高温高压下进行。因此人们一直在努力不懈地探索该反应的合适催化剂。在前人研究的基础上,2010年Wittstock等人发现,通过腐蚀金银合金的方式制成的纳米金在较低温度下(80℃)能催化甲醇直接转化成甲酸甲酯,其转化率超过97%。基于以上两个方面的实验发现,本文利用密度泛函理论方法,从理论上研究了Au团簇催化的CO氧化和甲醇直接合成甲酸甲酯的反应机理,明确了CO催化氧化反应湿度增强效应的微观机制,给出了甲醇直接合成甲酸甲酯机理详情,所得结果合理地解释了实验现象,加深了人们对相关过程的理解,为相关的实验研究提供了一定的理论依据,为金基催化的理性设计提供了一定的理论指导。论文主要内容和创新性研究结果如下：一、概括论述了金催化剂的研究进展和现状。主要介绍了金催化CO氧化和甲醇反应的反应背景,论文重点讨论了本文对水增强作用的研究背景和思路,以及金催化甲醇直接反应制备甲酸甲酯的研究背景。简单介绍了以前的研究进展,为我们研究其中的反应机制提供思路。二、简单介绍了论文的理论计算研究基础。简述了定态薛定谔方程,重点介绍了本文的主要理论基础：密度泛函理论。简要介绍了本文用到的计算软件和计算方法。三、基于密度泛函理论,在BPW91/LANL2DZ/6-311G (d, p)水平上系统研究了金催化CO氧化的湿度增强机理。研究发现水参与反应要比没有水和水不参与时能垒要低,更容易发生。水参与反应要经过四个基元步骤,首先是H2O与O2作用,生成一个OOH和OH中间体,接着两个中间体分别跟CO作用,得到C02, OH和COOH中间体。然后COOH跟OH作用得到CO2和H2O。完成一个反应循环。可以看出金催化CO氧化的湿度增强机理是通过H2O参与反应从而走了另一条反应路径。四、基于密度泛函理论,在BPW91/LANL2DZ/6-311G (d, p)水平上系统研究了金催化甲醇直接合成甲酸甲酯的反应机理。计算结果表明金催化甲醇反应生成甲酸甲酯要经过一系列的基元步骤,首先CH3OH解离,反应得到CH3O和H,CH3O是合成甲酸甲酯的一个中间体,另外一个中间体需要CHO。CH3O可以跟O2作用,生成CH2O和OOH, CH2O也可以通过CH3OH和O2直接反应得到。CH2O再跟O2作用,得到CHO。最后CH3O和CHO结合,得到甲酸甲酯。整个反应基元步骤能垒都比较低,速控步为CH3OH上H的解离,能垒为166.50kJ/mol。通过计算,得到了完整的反应路径,合理解释了反应机理。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第一章绪论  13-27
  1.1 Au纳米粒子的研究进展与现状  13-14
  1.2 本论文相关研究进展与现状  14-20
    1.2.1 CO氧化反应  14-15
    1.2.2 CO氧化反应的理论研究  15-17
    1.2.3 金催化甲醇裂解  17-18
    1.2.4 金催化甲醇制备甲酸甲酯  18-20
  1.3 本论文的研究内容  20-22
  参考文献  22-27
第二章理论计算方法简介  27-41
  2.1 薛定谔方程  27-28
    2.1.1 经典力学的运动方程  27
    2.1.2 量子力学方程  27-28
  2.2 密度泛函理论  28-37
    2.2.1 Hohenberg-Kohn定理  28-30
    2.2.2 Hohenberg-Kohn变分定理  30-31
    2.2.3 Kohn-Sham方法  31-34
    2.2.4 局域密度近似  34-36
    2.2.5 梯度校正及混合泛函  36-37
      2.2.5.1 梯度校正  36-37
      2.2.5.2 混合(杂化)的泛函  37
  2.3 计算软件和计算方法  37-39
    2.3.1 Gaussian 03  37-38
    2.3.2 计算方法  38-39
  参考文献  39-41
第三章金催化CO氧化湿度增强效应的理论研究  41-57
  3.1 背景简介  41-44
  3.2 模型的计算方法  44-45
  3.3 结果与讨论  45-53
    3.3.1 Au4团簇的结构及其与O_2、CO、H_2O分子的相互作用  45-48
      3.3.1.1 Au4团簇的结构  45-46
      3.3.1.2 Au4团簇与O_2、CO、H_2O分子的相互作用  46-47
      3.3.1.3 Au4团簇上H_2O分子对O_2分子的影响  47-48
    3.3.2 没有水分子参与的反应  48-49
    3.3.3 水分子对反应的影响  49
    3.3.4 湿度增强效应的微观机制  49-53
  3.4 结论  53-54
  参考文献  54-57
第四章 Au催化甲醇直接合成甲酸甲酯的理论研究  57-68
  4.1 研究背景  57-60
  4.2 计算方法  60
  4.3 结果与讨论  60-65
    4.3.1 金团簇与各种小分子吸附稳定构型  60-61
    4.3.2 金催化甲醇裂解  61-62
    4.3.3 金催化甲醇生成甲酸甲酯  62-65
  4.4 结论  65-66
  参考文献  66-68
致谢  68-69
攻读硕士学位期间发表论文  69-70
学位论文评阅及答辩情况表  70

金催化CO氧化与甲醇直接合成甲酸甲酸反应的理论研究

内容摘要

全文目录

相似论文