
Citation: Chuan-Ming Wang, Yang-Dong Wang, Zai-Ku Xie. Elucidating the dominant reaction mechanism of methanol-to-olefins conversion in H-SAPO-18: A first-principles study[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(7): 1272-1279. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63064-5

H-SAPO-18催化甲醇制烯烃反应机理:第一性原理计算研究
目前已经形成的共识认为,MTO催化反应沿着烃池反应机理进行,但是烃池活性中心的结构还存在很多争议.我们曾系统研究了H-SAPO-18分子筛中多甲基苯的分布,以及催化MTO反应的芳烃循环路线,指出多甲基苯路线的总吉布斯自由能垒高于200 kJ/mol(673 K).本文以四甲基乙烯(TME)作为代表性的烯烃烃池活性中心,系统研究了H-SAPO-18分子筛催化MTO反应的烯烃循环路线.TME循环路线的总吉布斯自由能垒不大于150 kJ/mol,远小于芳烃循环的总能垒.因此,烯烃本身有很大可能是H-SAPO-18催化MTO反应的烃池活性中心.我们也指出了芳烃循环和烯烃循环路线的相似性,这包括基元反应的相似性和中间体结构的相似性.或者可以说,芳烃循环和烯烃循环路线机理上没有区别,关键是为了得到具有烷基(侧)链的裂解前驱体,最后通过裂解生成低碳烯烃.在烯烃循环路线中,产物选择性与裂解前驱体(高碳烯烃、碳正离子等)的分布以及裂解动力学有关.计算发现生成乙烯和丙烯的裂解基元反应能垒与裂解前驱体的碳数之间存在线性关系.本文进一步强调了分子筛催化MTO反应中烯烃活性中心的重要性,并且清楚指出了烯烃循环和芳烃循环的机理相似性.
-
关键词:
- 甲醇制烯烃
- / 烃池机理
- / 烯烃烃池
- / 密度泛函理论
- / H-SAPO-18分子筛
English
Elucidating the dominant reaction mechanism of methanol-to-olefins conversion in H-SAPO-18: A first-principles study
-
-
[1] G. A. Olah, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 104-107.
-
[2] C. Mesters, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng., 2016, 7, 223-238.
-
[3] C. D. Chang, A. J. Silvestri, J. Catal., 1977, 47, 249-259.
-
[4] M. Stocker, Micro. Meso. Mater., 1999, 29, 3-48.
-
[5] F. J. Keil, Micro. Meso. Mater., 1999, 29, 49-66.
-
[6] P. Tian, Y. X. Wei, M. Ye, Z. M. Liu, ACS Catal., 2015, 5, 1922-1938.
-
[7] M. Behrens, F. Studt, I. Kasatkin, S. Kühl, M. Hävecker, F. Abild-Pedersen, S. Zander, F. Girgsdies, P. Kurr, B. L. Kniep, M. Tovar, R. W. Fischer, J. K. Norskov, R. Schloegl, Science, 2012, 336, 893-897.
-
[8] H. O. Pastore, S. Coluccia, L. Marchese, Annu. Rev. Mater. Res., 2005, 35, 351-395.
-
[9] W. L. Dai, X. Wang, G. J. Wu, N. J. Guan, M. Hunger, L. D. Li, ACS Catal., 2011, 1, 292-299.
-
[10] I. Pinilla-Herrero, U. Olsbye, C. Márquez-Álvarez, E. Sastre, J. Catal., 2017, 352, 191-207.
-
[11] B. M. Lok, C. A. Messina, R. L. Patton, R. T. Gajek, T. R. Cannan, E. M. Flanigen, J. Am. Chem. Soc., 1984, 106, 6092-6093.
-
[12] J. S. Chen, P. A. Wright, J. M. Thomas, S. Natarajan, L. Marchese, S. M. Bradley, G. Sankar, C. R. A. Catlow, P. L. Gai-Boyes, R. P. Townesnd, C. M. Lo, J. Phys. Chem., 1994, 98, 10216-10224.
-
[13] R. Wendelbo, D. Akporiaye, A. Andersen, I. M. Dahl, H. B. Mostad, App. Catal. A, 1996, 142, L197-L207.
-
[14] M. A. Djieugoue, A. M. Prakash, L. Kevan, J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 6452-6461.
-
[15] A. G. Gayubo, A. T. Aguayo, A. Alonso, A. Atutxa, J. Bilbao, Catal. Today, 2005, 106, 112-117.
-
[16] J. R. Chen, J. Z. Li, C. Y. Yuan, S. T. Xu, Y. X. Wei, Q. Y. Wang, Y. Zhou, J. B. Wang, M. Z. Zhang, Y. L. He, S. L. Xu, Z. M. Liu, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 3268-3277.
-
[17] J. R. Chen, J. Z. Li, Y. X. Wei, C. Y. Yuan, B. Li, S. T. Xu, Y. Zhou, J. B. Wang, M. Z. Zhang, Z. M. Liu, Catal. Commun., 2014, 46, 36-40.
-
[18] M. Nazari, G. Moradi, R. M. Behbahani, M. Ghavipour, S. Abdollahi, Catal. Lett., 2015, 145, 1893-1903.
-
[19] M. Dusselier, M. A. Deimund, J. E. Schmidt, M. E. Davis, ACS Catal., 2015, 5, 6078-6085.
-
[20] R. Martínez-Franco, Z. B. Li, J. Martínez-Triguero, M. Moliner, A. Corma, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 2796-2806.
-
[21] J. F. Haw, W. G. Song, D. M. Marcus, J. B. Nicholas, Acc. Chem. Res., 2003, 36, 317-326.
-
[22] U. Olsbye, S. Svelle, M. Bjorgen, P. Beato, T. V. W. Janssens, F. Joensen, S. Bordiga, K. P. Lillerud, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 5810-5831.
-
[23] S. Ilias, A. Bhan, ACS Catal., 2013, 3, 18-31.
-
[24] W. G. Song, J. F. Haw, J. B. Nicholas, C. S. Heneghan, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 10726-10727.
-
[25] B. Arstad, S. Kolboe, J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 8137-8138.
-
[26] U. Olsbye, M. Bjorgen, S. Svelle, K. P. Lillerud, S. Kolboe, Catal. Today, 2005, 106, 108-111.
-
[27] K. Hemelsoet, J. Van der Mynsbrugge, K. De Wispelaere, M. Waroquier, V. Van Speybroeck, ChemPhysChem, 2013, 14, 1526-1545.
-
[28] V. Van Speybroeck, K. De Wispelaere, J. Van der Mynsbrugge, M. Vandichel, K. Hemelsoet, M. Waroquier, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7326-7357.
-
[29] D. M. McCann, D. Lesthaeghe, P. W. Kletnieks, D. R. Guenther, M. J. Hayman, V. Van Speybroeck, M. Waroquier, J. F. Haw, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 5179-5182.
-
[30] C. M. Wang, Y. D. Wang, Z. K. Xie, Z. P. Liu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4584-4591.
-
[31] D. Lesthaeghe, A. Horre, M. Waroquier, G. B. Marin, V. Van Speybroeck, Chem. Eur. J., 2009, 15, 10803-10808.
-
[32] C. M. Wang, Y. D. Wang, H. X. Liu, Z. K. Xie, Z. P. Liu, J. Catal., 2010, 271, 386-391.
-
[33] C. M. Wang, Y. D. Wang, H. X. Liu, Z. K. Xie, Z. P. Liu, Micro. Meso. Mater., 2012, 158, 264-271.
-
[34] K. De Wispelaere, K. Hemelsoet, M. Waroquier, V. Van Speybroeck, J. Catal., 2013, 305, 76-80.
-
[35] C. M. Wang, Y. D. Wang, Z. K. Xie, J. Catal., 2013, 301, 8-19.
-
[36] C. M. Wang, Y. D. Wang, Y. J. Du, G. Yang, Z. K. Xie, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 4354-4364.
-
[37] D. Lesthaeghe, J. Van der Mynsbrugge, M. Vandichel, M. Waroquier, V. Van Speybroeck, ChemCatChem, 2011, 3, 208-212.
-
[38] S. Svelle, F. Joensen, J. Nerlov, U. Olsbye, K. P. Lillerud, S. Kolboe, M. Bjorgen, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 14770-14771.
-
[39] M. Bjorgen, S. Svelle, F. Joensen, J. Nerlov, S. Kolboe, F. Bonino, L. Palumbo, S. Bordiga, U. Olsbye, J. Catal., 2007, 249, 195-207.
-
[40] C. M. Wang, Y. D. Wang, Z. K. Xie, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 2631-2638.
-
[41] C. M. Wang, Y. D. Wang, Z. K. Xie, Chin. J. Chem. 2018, 36, 381-386.
-
[42] A. Hwang, D. Prieto-Centurion, A. Bhan, J. Catal., 2016, 337, 52-56.
-
[43] E. Borodina, H. Sharbini Harun Kamaluddin, F. Meirer, M. Mokhtar, A. M. Asiri, S. A. Al-Thabaiti, S. N. Basahel, J. Ruiz-Martinez, B. M. Weckhuysen, ACS Catal., 2017, 7, 5268-5281.
-
[44] W. L. Dai, G. Cao, L. Yang, G. J. Wu, M. Dyballa, M. Hunger, N. J. Guan, L. D. Li, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 607-618.
-
[45] M. Z. Zhang, S. T. Xu, Y. X. Wei, J. Z. Li, J. B. Wang, W. N. Zhang, S. S. Gao, Z. M. Liu, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1413-1422.
-
[46] J. B. Wang, J. Z. Li, S. T. Xu, Y. C. Zhi, Y. X. Wei, Y. L. He, J. R. Chen, M. Z. Zhang, Q. Y. Wang, W. N. Zhang, X. Q. Wu, X. W. Guo, Z. M. Liu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1392-1402.
-
[47] H. Ma, Y. Y. Chen, S. Wang, Z. H. Wei, Z. F. Qin, M. Dong, J. F. Li, W. B. Fan, J. G. Wang, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 521-533.
-
[48] S. Wang, Y. Y. Chen, Z. H. Wei, Z. F. Qin, H. Ma, M. Dong, J. F. Li, W. B. Fan, J. G. Wang, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 28482-28498.
-
[49] V. Van Speybroeck, K. Hemelsoet, L. Joos, M. Waroquier, R. G. Bell, C. R. A. Catlow, Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 7044-7111.
-
[50] G. Sastre, Front. Chem. Sci. Eng., 2016, 10, 76-89.
-
[51] C. M. Wang, Y. D. Wang, Y. J. Du, G. Yang, Z. K. Xie, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 3279-3288.
-
[52] S. Kozuch, S. Shaik, Acc. Chem. Res., 2010, 44, 101-110.
-
[53] C. M. Wang, Y. D. Wang, H. X. Liu, Y. J. Du, G. Yang, Z. K. Xie, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1573-1579.
-
[54] G. Kresse, J. Furthmuller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186.
-
[55] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.
-
[56] P. E. Blochl, Phys. Rev. B, 1994, 50, 17953-17979.
-
[57] J. Wellendorff, K. T. Lundgaard, A. Møgelhøj, V. Petzold, D. D. Landis, J. K. Nørskov, T. Bligaard, K. W. Jacobsen, Phys. Rev. B, 2012, 85, 235149.
-
[58] G. Henkelman, H. Jonsson, J. Chem. Phys., 1999, 111, 7010-7022.
-
[59] C. M. Wang, R. Y. Brogaard, Z. K. Xie, F. Studt, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 2814-2820.
-
[60] J. Van der Mynsbrugge, J. De Ridder, K. Hemelsoet, M. Waroquier, V. Van Speybroeck, Chem. Eur. J., 2013, 19, 11568-11576.
-
[61] V. Van Speybroeck, J. Van der Mynsbrugge, M. Vandichel, K. Hemelsoet, D. Lesthaeghe, A. Ghysels, G. B. Marin, M. Waroquier, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 888-899.
-
-

计量
- PDF下载量: 6
- 文章访问数: 514
- HTML全文浏览量: 85