[發明專利]一種分析反應中間體對催化劑活性影響的方法

無效

• 申請號: 201410086251.6
• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN103793622A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 魯效慶;鄧志剛;朱青;魏淑賢;靳棟梁;史曉凡;郭文躍
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及催化劑的開發與利用研究領域，具體涉及一種分析反應中間體對催化劑性能影響的方法，其特征是利用密度泛函理論（DFT）研究催化反應過程中反應中間體對催化劑性能的影響。

背景技術

與傳統的理論研究方法相比，DFT是一種完全基于量子力學的從頭算理論方法。近年來，DFT體系本身數值計算方法取得了巨大發展，使得DFT成為材料領域最先進、最高效的理論研究方法之一。通過DFT方法可以計算材料的物理化學性質，借以比較各種近似理論驗證其正確性；可以模擬現代實驗方法還無法觀察到的現象及過程而提出新的理論；可以分析化學反應機理、預測激發態及過渡態的幾何構型等，從而深入探究反應本質。DFT被廣泛應用于金屬表面各種吸附及簡單催化反應機理的研究，且研究此類催化反應的本質問題是如何提高反應選擇性、催化劑活性以及影響催化劑活性的本質因素。如果能在原子水平層面通過DFT理論計算認識反應機理，并確定反應中間體對催化劑性能的影響，則可以為工業選擇、設計新型催化劑提供理論指導，加快新型催化劑的研發進展，同時也可以節省大量的人力、物力和財力。本發明中我們用周期性的DFT研究了模型分子在過渡金屬表面催化分解，通過對比模型分子直接分解和中間體輔助分解過程，并利用相應的分析方法揭示了中間體影響催化劑的本質因素。通過歸納總結，形成一種分析反應中間體對催化劑活性影響的方法。

發明內容

本發明方法所采用的計算機模擬軟件為美國Accelrys公司研發的Materials?Studio（MS）軟件，MS是專門為材料科學領域研究者開發的一款可運行在PC上且支持多種操作平臺的模擬軟件，其中的DMol³模塊基于獨特的DFT量子力學程序，是模擬氣相、溶液、表面及固體等過程及性質的量子力學程序，可應用于化學、材料、化工、固體物理等許多領域。本發明方法利用周期性DFT研究了模型分子在過渡金屬催化劑表面的分解，通過對比模型分子直接分解和中間體輔助分解過程中的吸附構型、基元反應熱力學和動力學參數以及反應網絡等，然后利用能量勢壘分析、反應速率以及電子結構等分析方法研究中間體影響催化劑的本質因素。結合實驗研究文獻，建立一種分析反應中間體對催化劑活性的影響的方法。

本發明的內容可分為模型分子在過渡金屬表面催化分解的微觀機理和分解反應的中間體對催化劑性能的影響兩部分，具體內容如下：

（1）模型分子在過渡金屬表面催化分解的微觀機理

系統研究模型分子在過渡金屬催化劑表面的吸附，通過MS軟件中的DMol³模塊計算穩定的吸附構型并獲取吸附能，研究模型分子在過渡金屬催化劑表面穩定吸附前后催化劑結構的變化，以及影響氣體分子吸附到催化劑表面吸附量的因素；從穩定吸附構型出發，沿著模型分子催化分解的反應坐標確定不同類型鍵斷裂分解的最優路徑；通過分析沿最優路徑的勢能面及每步反應速率常數，考察模型分子在過渡金屬催化劑表面的催化活性，闡明模型分子在過渡金屬催化劑表面的斷鍵特點；

對模型分子及其最優反應路徑中間體的穩定吸附構型開展多種電子結構分析（電荷布居、差分電荷密度、態密度、能帶結構等），考察反應過程中的電子轉移方向和成鍵情況的變化，分析影響不同類型鍵斷裂的因素，并在此基礎上研究斷鍵競爭步驟吸附體系的電子結構特性，闡明過渡金屬對模型分子不同類型的鍵活性差異的本質因素；

（2）分解反應中間體對催化劑的影響

對比模型分子直接分解和反應中間體輔助分解，研究中間體引入對模型分子分解中各相關物種在過渡金屬催化劑表面的吸附差異，判斷中間體與各相關物種共吸附對鍵活化過程為促進或抑制作用。通過反應勢能面、反應速率、反應能壘分解分析得出中間體對不同類型鍵斷裂反應的影響，闡明中間體改變催化劑性能的本質因素。

本發明的有益效果在于：提出了一種分析中間體對催化劑活性影響的簡便方法。本發明方法計算快速、結果準確，能從原子水平層次認識模型分子在催化劑表面分解的反應機理，并確定反應中間體對催化劑性能的影響，則可以為工業選擇、設計新型催化劑提供理論指導，縮短新型催化劑的研發周期，同時也可以節省大量的人力、物力和財力。

附圖說明

下面結合附圖和實施案例對本發明進一步說明。圖1：具體研究技術路線流程圖

具體實施方式