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?天大ACS Catal.: 計算結(jié)合kMC分析,揭示Cu/ZnO催化HDMM加氫機制

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Cu/ZnO/Al2O3催化劑在催化馬來酸二甲酯(HDMM)加氫合成1,4-丁二醇(BDO)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)和四氫呋喃方面具有廣闊的應(yīng)用前景,對其催化機理的深入研究是目前研究的熱點。
近日,天津大學(xué)余英哲課題組采用密度泛函理論(DFT)和動力學(xué)模擬(kMC)相結(jié)合的方法,對Cu/ZnO催化劑進(jìn)行了多尺度模擬,揭示了Cu和ZnO組分在HDMM過程中的反應(yīng)機理和作用。在kMC計算中,ZnO團簇被構(gòu)建并隨機分布在Cu(111)表面。HDMM過程可分為DMM形成DMSu、DMSu形成GBL、MGHB形成BDO、GBL形成BDO和THF,以及BDO形成THF和n-BuOH。DMSu、MGHB和GBL加氫的主要途徑遵循酯羰基碳原子加氫的機理,反應(yīng)速率逐漸下降0.5至1個數(shù)量級。在HDMM過程中,Cu-ZnO協(xié)同效應(yīng)的作用體現(xiàn)在增強吸附和促進(jìn)酯的活化,降低R-CH2O*與H*形成羥基的難度。
?天大ACS Catal.: 計算結(jié)合kMC分析,揭示Cu/ZnO催化HDMM加氫機制
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HDMM過程開始于DMM中C=C鍵加氫形成DMSu,DMSu與Cutop位點有π-d相互作用。DOS和Bader電荷分析表明,H輔助Cu-ZnO協(xié)同作用和DMSu活化可以促進(jìn)DMSu中C-O鍵的斷裂。DRC分析指出,CH3O*+H*→CH3OH*是在低溫下形成GBL的速率控制步驟,而隨著溫度的升高,速率決定步驟是多重的。提高GBL生成速率的一個有效途徑是構(gòu)建新的活性位點,以降低CH3O*加氫反應(yīng)的活化能壘。
GBL*+H*→C3H6O-CHO-r*+*是GBL加氫過程的速率控制步驟。C3H6O-CHO-r*中內(nèi)環(huán)和外環(huán)C-O鍵裂解分別導(dǎo)致BDO和THF的形成。BDO是GBL加氫反應(yīng)的主要產(chǎn)物,但如果不借助金屬促進(jìn)劑抑制環(huán)外區(qū)的解離,THF的形成不可避免。BDO的直接脫水和逐步脫水會形成THF和正丁醇。雖然四氫呋喃的生成速率比BDO低一倍以上,但隨著BDO生成量的增加,活性中心會占據(jù)更多,這不利于加氫反應(yīng)。
?天大ACS Catal.: 計算結(jié)合kMC分析,揭示Cu/ZnO催化HDMM加氫機制
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在不同的溫度和壓力下,形成速率遵循GBL>BDO> THF,差別為0.5-1.0個數(shù)量級。提高溫度對生成速率的促進(jìn)作用為GBL<BDO<THF;壓力對產(chǎn)物的選擇性影響不大,因此在較低的壓力(約0.5 MPa)下可以進(jìn)行反應(yīng)速率較快的工藝,如生成GBL。BDO的選擇性隨溫度呈火山形分布,473 K是最有利于形成BDO的溫度。總的來說,該研究不僅為CuZnAl催化劑活性中心的改性提供了指導(dǎo),而且為用多尺度模擬方法研究復(fù)雜C4+反應(yīng)體系提供了參考。
Revealing the reaction network for dimethyl maleate hydrogenation on the active sites of Cu/ZnO catalysts combining DFT with kMC analysis. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c01057

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