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HZSM-5催化甲苯和甲醇烷基化反应机理的密度泛函理论研究
  • ISSN号:0253-9837
  • 期刊名称:《催化学报》
  • 时间:0
  • 分类:O[理学]
  • 作者机构:[1]华东理工大学工业大型反应器工程教育部工程研究中心,上海200237, [2]华东理工大学化学工程联合国家重点实验室,上海200237
  • 相关基金:国家自然科学基金(21446003);高等学校博士学科点专项科研基金(20130074110018).
中文摘要:

对二甲苯(PX)是重要的有机化工原料,主要用于生产对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二甲酯(DMT),PTA和DMT可经缩聚生产化纤、合成树脂和塑料等聚酯产品.PX主要通过甲苯歧化、二甲苯异构化或甲苯与C9芳烃烷基转移等方式生产.由于三种二甲苯和乙苯的沸点接近,需要经过吸附分离或深冷分离才能得到高纯度的PX,传统工艺物料循环量大,设备庞大,操作费用高.而通过甲苯和甲醇烷基化反应直接高选择性生成PX,可大大降低成本,具有非常高的经济效益和研究价值.自1970年代以来,国内外众多科研院所对甲苯和甲醇烷基化催化剂进行了广泛研究,但催化剂选择性和稳定性仍需进一步提高.为了加深对甲苯和甲醇烷基化反应的认识,指导催化剂开发,有必要对甲苯和甲醇烷基化生成二甲苯的反应机理进行深入研究.当前甲苯和甲醇烷基化机理研究主要存在以下问题:(1)计算得到的能量多为电子能,而非自由能;(2)所采用的模型多为团簇模型,使用ONIOM方法,对长程作用力描述不充分;(3)认为甲苯只有一种吸附状态;(4)没有考虑偕烷基化反应.本文采用周期性模型,通过密度泛函理论研究了HZSM-5分子筛上甲苯和甲醇烷基化反应机理,通过计算熵得到了反应自由能,并考虑了偕烷基化反应.由于甲基的存在,在甲苯的吸附态中,甲基会伸向孔道的不同方向,因此我们认为甲苯有多种吸附态,而不同的吸附态会生成不同的二甲苯.结果表明,甲苯可以在对位、间位、邻位和偕位上通过协同机理或分步机理发生烷基化反应.在协同机理中,甲苯在对位、间位、邻位和偕位发生烷基化反应的自由能垒分别为167,138,139和183 kJ/mol.在分步机理中,甲醇脱水生成甲氧基的自由能垒为145 kJ/mol,是决速步骤;而甲苯和甲氧基对位、间位、邻位和偕位烷基化的自由能垒分别为127,105,106和114 kJ/mol

英文摘要:

Periodic density functional theory was applied to investigate the reaction mechanism for the methylation of toluene with methanol over HZSM-5.The results indicated that toluene could be methylated at its para,meta,ortho and geminal positions via a concerted or stepwise pathway.For the concerted pathway,the calculated free energy barriers for the para,meta,ortho and geminal methylation reactions were 167,138,139 and 183 kJ/mol,respectively.For the stepwise pathway,the dehydration of methanol was found to be the rate-determining step with a free energy barrier of145 kj/mol,whereas the free energy barriers for the methylation of toluene at its para,meta,ortho and geminal positions were 127,105,106 and 114 kj/mol,respectively.Both pathways led to the formation of C8H11^+ species as important intermediates,which could back-donate a proton to the zeolite framework via a reorientation process or form gaseous products through demethylation.Methane was formed via an intramolecular hydrogen transfer reaction from a ring carbon of the C8H11^+ species to the carbon of the methyl group,with calculated energy barriers of 136,132 and134 kj/mol for the para,meta and ortho C8H11^+ species,respectively.The calculated free energy barriers for the formation of para-,meta- and ortho-xylene indicated that the formation of the para-xylene had the highest energy barrier for both pathways.

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期刊信息
  • 《催化学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所
  • 主编:李灿 张涛
  • 地址:大连市沙河口区中山路457号
  • 邮编:116023
  • 邮箱:chxb@dicp.ac.cn
  • 电话:0411-84379240
  • 国际标准刊号:ISSN:0253-9837
  • 国内统一刊号:ISSN:21-1195/O6
  • 邮发代号:8-93
  • 获奖情况:
  • 第三届国家期刊奖提名奖,中国科协精品科技期刊示范项目
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国剑桥科学文摘,美国科学引文索引(扩展库),日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:19199