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目前，探索非貴金屬烷烴脫氫催化劑及其催化機(jī)理是催化領(lǐng)域的研究重點(diǎn)?；诖?，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉洪陽研究員、王曉輝研究員和北京大學(xué)馬丁教授等人報(bào)道了一種高密度配位不飽和鋅陽離子（Zn_cus）催化劑，用于乙苯（EB）直接脫氫（DDH）制苯乙烯（ST）。該催化劑在反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能（初始EB轉(zhuǎn)化率約為40%，ST選擇性超過98%）和優(yōu)異的再生能力，主要?dú)w功于硅酸鋅表面Zn活性位點(diǎn)的高密度（HD）分布和高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)（HD-Zn_cus@ZS）。

為研究EB在Zn_cus活性位點(diǎn)上的脫氫途徑，作者通過DFT計(jì)算構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定的α-Zn₂SiO₄(010)表面。需注意，HD-Zn_cus@ZS催化劑的FT-IR光譜證實(shí)其表面存在羥基，因此優(yōu)化后的α-Zn₂SiO₄(010)表面結(jié)構(gòu)被羥基化。

本文利用DFT計(jì)算優(yōu)化后表面結(jié)構(gòu)上EB DDH的能勢(shì)圖、吉布斯自由能和勢(shì)圖：EB分子首先接近催化劑表面形成Ph-CH₂CH₃*（步驟0~1），EB的吸附能為-0.07 eV。第一個(gè)C-H鍵斷裂發(fā)生在EB分子的乙基α-C上（步驟1~2）。從Ph-CH₂CH₃*到Ph-CHCH₃*的反應(yīng)勢(shì)壘和熱能分別為0.66和0.54 eV，由H原子與Zn原子形成Zn-H鍵。

當(dāng)乙基上的第二個(gè)C-H鍵斷裂時(shí)（步驟2~3），從Ph-CHCH₃*到Ph-CHCH₂*的反應(yīng)勢(shì)壘和反應(yīng)熱分別為0.18 eV和-0.88 eV，由H原子與O原子結(jié)合形成O-H鍵。之后，兩個(gè)H原子結(jié)合生成H₂并進(jìn)行解吸（步驟3~4）。H₂的解吸能為1.74 eV，ST的解吸能為0.16 eV（步驟5），說明H₂的生成是反應(yīng)的速率決定步驟。結(jié)果表明，Zn位點(diǎn)可以有效穩(wěn)定反應(yīng)過渡態(tài)，促進(jìn)后續(xù)反應(yīng)。

High-Density Coordinatively Unsaturated Zn Catalyst for Efficient Alkane Dehydrogenation. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c06311.

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金屬所/北大JACS：高密度配位不飽和Zn催化劑高效烷烴脫氫

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