微波电场对硫化钼系催化剂性质及加氢脱硫性能影响研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sasa826
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硫化钼系加氢脱硫(HDS)催化剂多年来一直是炼油厂最广泛应用的催化剂,提高MoS2系催化剂的HDS效率是深度脱硫的关键。微波脱硫作为一种新型的辅助脱硫技术,已经证明能够显著提高加氢脱硫效率,并且有效避免了辛烷值的损失,但是目前关于微波辅助加氢脱硫研究还停留在实验阶段,其微观机理尚不明确。为了深入了解并解释微波在加氢脱硫中起到的积极作用,本文在充分总结前人研究成果的基础上,建立了比较合理的钼基催化活性相模型,利用密度泛函理论(DFT)考察微波电场对加氢脱硫过程的影响。1.构建了较为合理的MoS2系加氢脱硫活性相的四种模型,采用验证后的PBE方法和DNP基组对模型进行结构优化与计算。结构优化之后,通过比较四种模型的化学键参数发现,边位S原子覆盖率越高,S空位的形成越容易,且Co的掺杂显著降低了S边S原子的稳定性,S原子更易被“挤出”,S空位形成也越容易。为了探究微波电场对活性相的作用效果,研究了不同强度和方向的电场对MoS2、Co MoS-I和Ni MoS三种团簇能量和结构的影响。结果显示,随着电场的加入和场强的增加,三种团簇的总能量、结合能和偶极矩都增大,说明外加电场的加入改变了分子体系内部的带电粒子的分布,这也必然造成团簇的结构和电子性质发生改变,并且平行于团簇基面的电场(Ex)的影响效果要远大于垂直于基面的电场(Ez);施加Ex-电场对Metal边形成S空位有利,施加EX+电场对S边形成S空位有利。2.对真实HDS反应条件下S空位形成的热力学机制进行了探究,系统的考察并比较了H2按照不同途径进行解离、原子H按照不同的路径进行迁移和H2S的脱附等系列过程的热力学能量变化。结果表明,H2在纯MoS2团簇的Metal边的解离非常困难,Co/Ni在Metal边的部分掺杂使得H2能够按照直接解离和均裂解离的方式自发进行,且Ni的掺杂更有利。H2在四种活性相S边上的解离难度显著低于Metal边。在纯MoS2团簇的两种边上,原子H的转移过程都是无法自发进行的,而Co/Ni的掺杂使得原子H能够按照特定的方式自发迁移。H2S的脱附是热力学不利的过程,在所有活性相的表面均不可自发进行,但Co/Ni的掺杂和S覆盖率的增加可以降低H2S的脱附难度。3.对外加电场作用下S空位形成系列过程的热力学进行了计算,研究发现,电场的引入明显影响了S空位形成的机制,电场方向不同,影响效果也不同,具体来说,施加Ex-电场有利于Metal边的H2解离、H转移和H2S脱附过程,S边的H2S脱附过程,不利于S边H2解离、H转移过程;施加EX+电场有利于S边的H2解离和H2S脱附,Metal边的H2S脱附过程,不利于Metal边H2解离过程。4.利用DFT计算了噻吩类S化物和活性相S空位产生前后的Mulliken电荷、分子前线轨道分布和HOMO-LUMO gap。计算结果证实了含硫化合物在静电力的驱使下能够以η~1型吸附方式吸附在角位,且Co/Ni的角位掺杂更有利于吸附,Co MoS-I型团簇比Co MoS-Ⅱ型团簇具有更强的角位电负性、更小的位阻效应,对大分子噻吩类S化物的吸附更有优势,噻吩类S化物能够以η~5型吸附方式吸附在活性相Metal边Brim位,吸附的强弱顺序为MoS2>Co MoS-Ⅰ>Ni MoS>Co MoS-Ⅱ。S化物的前线轨道主要分布在环和S原子上,活性相的主要分布在边角位,证实了S化物和活性相的反应部位,由HOMO-LUMO gap的计算结果得知,优先参与反应的分子轨道为S化物的HOMO轨道和活性相的LUMO轨道。电场的加入明显改变了S空位附近的原子的Mulliken电荷性质,对加氢脱硫过程亦会产生一定的影响,从前线轨道分析可以看出,Ex-电场增加了前线轨道的分布,有利于加氢脱硫过程。
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