Pt基金属催化α,β-不饱和醛选择性加氢的理论研究

来源 :浙江工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alexkent
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α,β-不饱和醇(COL)被广泛应用于香精、医药等多个领域,是一种重要的化工原料。以α,β-不饱和醛(CAL)为原料经催化加氢制取不饱和醇,具有原料廉价易得,反应符合绿色化学理念等优点。α,β-不饱和醛催化加氢反应的产物复杂,但在实验中使用Pt做催化剂时,可以通过控制其颗粒大小、助剂种类和载体类型等方法来获得良好的不饱和醇选择性。因此本文以密度泛函理论为基础,利用Materials Studio软件的Dmol3模块,研究不同构型的Pt及双金属催化α,β-不饱和醛的吸附和不完全加氢机理,主要研究内容及结论如下:构建Pt(111)面和Pt14团簇,研究了肉桂醛在两者表面的吸附以及不完全加氢机理。结果表明:肉桂醛在Pt(111)面上以C=O与C=C键协同吸附在hcp位最为稳定,吸附能为92.42 kJ/mol。而在Pt14上,以C=C吸附在顶端Pt的top位最稳定,吸附能为135.84 kJ/mol。对稳定吸附构型中吸附分子的电荷布局和p轨道电子态密度分布分析得到,在吸附过程中,部分电子由肉桂醛向催化剂转移,且吸附的主要原因是肉桂醛分子p轨道与金属d轨道的相互作用。在Pt(111)面和Pt14团簇催化作用下,肉桂醛都更倾向对C=O加氢生成肉桂醇,且均优先于对O原子加氢。在Pt(111)面,第一步加氢为控速反应,活化能为65.02 kJ/mol;但在Pt14团簇上,加氢的控速反应是r12(MS1+H=COL),活化能为86.63 kJ/mol,较Pt(111)面上更高。因此,Pt对肉桂醛吸附及加氢的催化活性与其结构密切相关,其中小颗粒Pt团簇对肉桂醛的吸附作用更强,而Pt(111)面对生成肉桂醇更有利。构建NiPtPt(111)和PtNiPt(111)面,分别模拟以Ni为端金属和以Pt为端金属的Ni-Pt合金;对两种不同结构Ni-Pt(111)面上肉桂醛的吸附及不完全加氢机理进行研究,并与纯金属Pt(111)进行比对。计算结果表明:NiPtPt(111)表面带有较强的正电,对肉桂醛的吸附作用最强。加氢反应能垒指出肉桂醛在NiPtPt(111)面上对O1加氢的反应能垒较高,而较容易优先对C4原子加氢产生MS4中间体,进而对C3和O1加氢产生苯丙醛和苯丙烯醇。同肉桂醛在Pt(111)面最优加氢机理一致,在PtNiPt(111)较容易按机理R12对肉桂醛加氢得到肉桂醇,但各基元反应所需活化能较Pt(111)面更低。Ni的掺杂改变了Pt对肉桂醛加氢的催化性能,以Pt原子为端金属的Ni-Pt合金对生成肉桂醇更有利。探究巴豆醛和肉桂醛在PtNiPt(111)面上的吸附机理及不完全加氢基元反应的活化能。结果表明:巴豆醛和肉桂醛分子均以C=O和C=C键协同吸附在PtNiPt(111)面较稳定。巴豆醛的最优吸附能为62.32 kJ/mol,肉桂醛的最优吸附能为99.85kJ/mol。电荷分析可以发现在吸附后,不饱和醛分子的部分电子转移到PtNiPt(111)面。苯环中大π键的p电子使得肉桂醛与金属表面的吸附作用更强。对巴豆醛和肉桂醛分子中C=C、C=O和1,4-加氢各自两条加氢途径的能垒分析发现,优势途径均为机理R12、R43和R14,且以机理R12的反应能垒最低,即表明PtNiPt(111)面对不饱和醇有较好的选择性。
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