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Cu~+、Ag~+和Au~+交换沸石分子筛吸附小分子的理论研究

作　者: 张妮娜
导　师: 吕仁庆
学　校: 中国石油大学
专　业: 化学
关键词: 密度泛函理论 Cu-ZSM-5 Ag-ZSM-5 Au-ZSM-5 吸附小分子
分类号: O647.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

采用密度泛函理论（DFT）对过渡金属交换分子筛吸附小分子（CO、NO、H₂O、H₂S、NO₂、SO₂）进行理论上研究。本文用过渡金属M（M = Cu、Ag、Au）交换H-ZSM-5型分子筛,选取十元环簇模型代替H-ZSM-5分子筛骨架,构造了M-ZSM-5簇模型,采用DMol³软件包对其进行优化。通过计算得出Cu（ I ）与分子筛骨架上的两个氧相互作用,键长在2.00±0.02 A范围内,Ag（ I ）的周围有两个氧与其相互作用,键长在2.30±0.03 A范围内,Au（ I ）的周围有两个氧与其作用,键长为2.35 A。发现RCu-O < RAg-O < RAu-O,这可归因于离子半径的不同:RCu+ < RAg+ < RAu+。构造M-ZSM-5吸附小分子CO、NO、H₂O、H₂S、NO₂和SO₂的可能的吸附构型。受吸附小分子的影响,M-ZSM-5分子筛骨架及小分子的结构和电子性质都发生了变化。计算结果显示,发生吸附后小分子的键长均变长,这符合键级守恒原理,在一定程度上达到了M-ZSM-5（M = Cu、Ag、Au）吸附小分子使其活化的目的。小分子的吸附能顺序是:吸附CO、NO、H₂O、H₂S时Au-ZSM-5 >Cu-ZSM-5 > Ag-ZSM-5;吸附NO₂时,Cu-ZSM-5 > Au-ZSM-5 > Ag-ZSM-5;吸附SO₂时Cu-ZSM-5 > Au-ZSM-5 > Ag-ZSM-5。对各个模型的电子结构进行分析得出,当M-ZSM-5（M = Cu、Ag、Au）与小分子相互作用时,金属中心M的电子结构由d¹⁰变为s¹d⁹。结果表明,当M-ZSM-5吸附小分子时,电子由金属中心M转移到小分子,这减弱了小分子的键强度。小分子与金属中心M作用形成σ键和d-π*反馈键,正是由于此两种键型之间的协同作用使得M-ZSM/X稳定存在。自然键轨道分析和电子密度拓扑分析信息显示在M-ZSM/H₂O和M-ZSM/H₂S结构中生成氢键,引起吸附体系的稳定。

Cu~+、Ag~+和Au~+交换沸石分子筛吸附小分子的理论研究

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