杂原子改性的Au单原子催化乙炔氢氯化反应机理的DFT研究.pdf

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1、分类号：密级：公开学号：2015201022单位代码：10759石河子大学硕士学位论文杂原子改性的Au单原子催化乙炔氢氯化反应机理的DFT研究学位申请人龚宛琪指导教师康丽华教授申请学位门类级别工学硕士学科、专业名称工业催化研究方向催化过程模拟所在学院化学化工学院中国·新疆·石河子2018年6月ADFTstudyofHeteroatoms-dopedAusingle-atomcatalystsforacetylenehydrochlorinationreactionADissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillment

2、oftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEengineeringByGongWanqi(IndustrialCatalysis)DissertationSupervisor:Prof.KangLihuaJune,2018摘要氯乙烯单体（VCM）是聚氯乙烯聚合反应的重要化学中间体。我国生产氯乙烯单体的主要方法是采用乙炔氢氯化法，该反应使用氯化汞催化剂。由于氯化汞的毒性对环境和人体健康有害，研究发现Au基催化剂是最具潜力的无汞催化剂，但成本昂贵。单原子催化剂（SACs）不仅可以充分利用每个金属原子以最大化其催化效率，而且作为化学反应的活性位点的负载单

3、金属原子可以提高非均相催化剂的选择性，活性和稳定性。本项工作以密度泛函理论(DFT)为基础，分别研究了Au嵌入未掺杂和B、N杂原子掺杂后石墨烯基质的单原子催化剂对乙炔氢氯化反应物的吸附作用，以及乙炔氢氯化反应的催化机理。可以为实验提供辅助理论支撑，也为研究开发新型催化剂提供引导。研究结果表明:在Au嵌入石墨烯基质单原子催化剂(AuG-SAC)上C2H2比HCl优先吸附；Au原子是反应的唯一活性位点，乙炔氢氯化反应在AuG-SAC上要经过两个能垒，其中由共吸附到第一个过渡态的能垒较大,为31.12kcal/mol，说明HCl的解离是反应的速率控制步骤，AuG-SAC对乙炔氢氯化反应具有

4、良好的催化效果。由轨道前线分子理论(FMO)分析可得，杂原子的掺杂改变了前线轨道上的电子云密度分布，从而改变了对吸附质的单吸附能力。对AuG-SAC进行杂原子B掺杂，可以有效提高催化剂对HCl的吸附能力，对C2H2的吸附能力变化不大，对产物C2H3Cl的吸附能力增大，不利于产物的脱除，但反应仍然优先吸附C2H2，再吸附HCl形成共吸附结构;B原子的掺杂降低了反应的活化能，最佳掺杂位点对应的活化能为26.72kcal/mol。N原子的掺杂可以降低Au单原子催化剂对C2H2和C2H3Cl的吸附能力,仍然优先吸附C2H2;最佳的掺杂N位点对应的活化能为25.43kca/mol。B、N共掺杂

5、使反应活化能进一步降低，协同作用与B,N掺杂相隔C原子数量有关，距离越近，越有利于减小反应活化能，最佳掺杂位点对应活化能为24.57kcal/mol。活化能的降低和AugG-C2H2-SACs与HCl之间的HOMO-LUMO轨道能级差有关，能级差越小，越有利于减小反应的活化能。关键词：密度泛函理论，乙炔氢氯化，石墨烯，掺杂，单原子催化剂，反应机理IIIABSTRACTVinylchloridemonomer(VCM)isasignificantchemicalintermediateforthepolymerizationofpolyvinylchloride,whichisoneo

6、fthemostwidelyusedengineeringplasticsinvariousapplicationsnowadays.InChina,theprimaryapproachtomanufacturingVCMisbytheacetylenehydrochlorination,andthisreactionusesmercuricchloridecatalysts.However,thetoxicmercuricchlorideisharmfultotheenvironmentandhumanhealth.Goldcatalystshavebeenconsideredto

7、betheoptimumsubstituteofno-mercuryforthisreaction.Single-atomcatalysts(SACs)cannotonlytakefulladvantageofeverymetalatominordertomaximizetheircatalyticefficiency,butalsoenhancetheselectivity,activity,andstability,forthesupportedsin