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Metal-Na2WO4/SiO2催化甲烷氧化偶联的密度泛函理论研究

批准号:
22102107
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
宋杨杨
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋杨杨

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
低碳烷烃直接转化成高附加值化工产品是当今催化领域的研究热点,甲烷氧化偶联催化转化制C2烃被认为是最具挑战性的课题之一。众多催化剂中,Mn/Na2WO4/SiO2催化剂是最具有工业化前景催化剂之一。但金属助剂与Na2WO4配位方式对构效关系的影响没有系统深入的研究,且活性氧种类仍然存在争议。本项目以密度泛函理论为基础,拟构建多种金属助剂匹配Na2WO4氧化物的方式,包括原子掺杂或负载、团簇或晶相氧化物负载等;拟探究Na2WO4不同晶面和助剂匹配方式对不同类型氧物种{O2-、O-、O(2)-、O(2)2-}之间的动态平衡转化的影响;拟利用微观动力学模拟高温反应气氛,揭示原位反应条件下不同活性位结合不同氧物种活化甲烷C-H键能力,在分子/原子层面筛选可能的活性位点、活性晶面和最佳亲电氧物种,为工业催化剂的开发提供理论指导。
英文摘要
The direct conversion of low carbon alkanes into high value-added chemical products is a hot spot in the field of catalysis,including the Oxidative Coupling of Methane (OCM) reaction forming C2 hydrocarbons, which has been considered as one of the most challenging subjects. Among the catalysts for OCM, the Mn/Na2WO4/SiO2 catalyst is one of the most promising catalysts for industrialization. However, the effect of coordination mode of metal additives and Na2WO4 on structure-activity relationship has not been studied systematically and deeply, and the speciation of active oxygen is still controversial. Based on the density functional theory, this project will build a variety of matching method between metal additives and Na2WO4, including the doping of single/multiple atom(s) and the supporting of the atom/clusters/crystal oxide. The influence of different exposing crystal planes of Na2WO4 and the matching mode of the additives on dynamic equilibrium transformation between different oxygen species {O2-、O-、O(2)-、O(2)2-} will be calculated. By using micro dynamics simulation of high temperature reaction atmosphere, the ability of different active sites combined with different oxygen species to activate C-H bond of methane under reaction conditions will be revealed. The possible active sites, active crystal planes and the best electrophilic oxygen species will be screened at the molecular/atomic level to provide theoretical guidance for the development of industrial catalysts.
本项目围绕甲烷氧化偶联(OCM)反应及其催化剂的开发与优化展开,旨在通过实验与理论计算相结合的方式,设计高效、廉价的催化剂,提升甲烷转化率和C2烃的选择性。项目主要研究了钨酸钠(Na2WO4)及其改性催化剂在甲烷氧化偶联反应中的催化性能,并通过引入过渡金属助剂(如Mn)和稀土金属氧化物(如La2O3、Sm2O3)等,优化催化剂的活性与选择性。项目还拓展了相关催化剂在低碳烷烃(如乙烯、丙烯)催化转化中的应用,取得了显著的研究成果。.通过密度泛函理论(DFT)计算,研究了纯相Na2WO4催化剂的催化性能,发现其活化甲烷C-H键的活化能较高(约4.74 eV),反应热较大(约2.10 eV),表明纯相Na2WO4在甲烷氧化偶联反应中需要较高的反应温度(约800℃),且C2烃的选择性较低。为改善这一现象,项目组通过引入Mn元素,发现Mn的加入使得催化活性相由Na2WO4转变为Mn2O3或Mn3O4,显著降低了甲烷活化的活化能,提升了催化效率。进一步的研究表明,Mn2O3(222)和Mn3O4(211)晶面上的高活性氧物种(O-)在甲烷活化过程中起到了关键作用,氧空位的形成能分别为2.72 eV和3.66 eV,表明Mn2O3(222)表面更易形成氧空位,进而促进O2的吸附与活化,生成高活性O-物种,显著提升了甲烷的活化效率。此外,项目还研究了稀土金属氧化物(如La2O3、Sm2O3)与Na2WO4组成的双功能催化剂,发现这类催化剂能够有效控制甲基自由基的浓度,促进C2烃的生成。通过DFT计算,发现稀土金属氧化物能够高效活化甲烷C-H键,降低活化能,而Na2WO4则能够捕获甲基自由基,促进C2烃的生成。在低碳烷烃催化转化方面,项目组还研究了银基催化剂在丙烯选择氧化反应中的应用。通过DFT计算研究发现,掺杂Cu或Au或亚表面掺杂Cl,能够调节催化剂表面氧物种的路易斯酸碱性,进而调节产物的选择性。研究旨在设计出具有相对高活性的氧物种,为甲烷C-H键高效活化奠定基础。.综上所述,本项目通过少许实验与系统的理论计算,成功开发了多种类型催化剂,显著提升了甲烷氧化偶联反应的催化性能,为相关领域的科研与工业应用提供了重要的理论和技术支持。
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