改性ZSM-5分子筛上甲醇制烯烃部分反应机理的密度泛函理论研究

乙烯作为一种非常重要的石油化工原料,已经受到国内外研究者越来越多的关注。乙烯的产量足可以衡量一个国家石油化工的发展水平,因此如何设计更经济更环保的乙烯生产工艺路线显得尤为重要。近几年来,对生产乙烯工艺路线的研究热点主要集中在催化剂的开发上。其中,ZSM-5分子筛催化剂在此工艺路线上表现出了良好的催化性能。本文选择目标产物为乙烯,金属(Ag、Rh、Mo、La、Ca)改性的ZSM-5分子筛为研究对象,对其催化的不同反应机理进行研究。本文采用以第一性原理为基础的密度泛函理论广义梯度近似方法(DFT-GGA),采用VASP软件包,系统地研究了在不同金属改性的ZSM-5分子筛作用下二甲醚制乙烯过程中的催化反应机理。具体的计算过程包括：应用共轭梯度法对反应体系各物种在ZSM-5分子筛催化剂模型上的吸附构型进行优化；应用nudged(NEB)方法搜索基元步骤的鞍点来寻找反应过程中的过渡态；应用对角化的Hessian矩阵进行频率计算,确定反应的过渡态。通过计算反应体系中各物种的吸附能和基元反应的活化能,比较得出最优的催化剂改性方案。采用上述方法进行量子化学模拟计算,得出以下结论：(1)本文选择计算了生成乙烯的两条反应路径,即氧鎓离子反应路径和二甲醚直接脱水路径。选择了ZSM-5分子筛两种模型(周期性模型和5T簇模型)。通过比较同一反应在两种模型上计算得到的活化能数据,得出周期性模型计算的数值明显低于5T模型得到的数值；通过比较两条路径的活化能数据可知氧鎓离子反应路径明显优于二甲醚直接脱水路径。(2)对于氧鎓离子反应路径而言,比较不同催化剂作用下同一反应的活化能数据,得出其对应的催化剂排序为：ZSM-5> Ag-ZSM-5> Mo-ZSM-5> Rh-ZSM-5> La-ZSM-5> Ca-ZSM-5;而对于二甲醚直接脱水路径则是：ZSM-5> Rh-ZSM-5> Ag-ZSM-5> Ca-ZSM-5> Mo-ZSM-5> La-ZSM-5。由此不难看出,金属改性的ZSM-5分子筛催化活性明显优于未改性的。(3)本文研究了(Ag)n、(Rh)n、(Mo)n(0<n≤5)金属簇的自由生长和它们在ZSM-5分子筛周期性模型上的吸附行为。当自由生长时,三种金属簇形貌一致,键长随着金属簇原子个数的增加而增大；吸附后,三种金属簇形貌相似,且键长明显小于其自由生长时的键长。通过比较三种金属簇的生长能,不难看出,Mo是最容易在ZSM-5分子筛上形成团簇的金属原子。