Rochow反应中CH3Cl在铜基催化剂表面吸附行为的第一性原理计算

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目前在有机硅工业上主要采用铜基催化剂来催化一氯甲烷和硅反应生成目标产物二甲基二氯硅烷(M2)。然而反应会产生一定的有毒化催化剂作用的副产物。为了提高铜基催化剂的性能,人们发现通过添加助催化剂(如氧化锌,磷化铝等)的方式来提高催化剂对M2的选择性和防止催化剂被毒化,但是具体的辅助机理仍然不清楚。因此,本论文基于密度泛函理论的第一性原理方法研究CH3Cl在ZnO和CuO不同表面的吸附行为,通过VASP从头计算软件包计算了吸附结构与能量、分析电子特征和解离过渡态,揭示了CH3Cl的吸附与解离机理。具体内容如下:(1)构建ZnO(100)和ZnO(001)表面的吸附模型,计算了吸附能、电荷密度、态密度以及过渡态等参数研究了CH3Cl在ZnO不同表面、不同位点、不同吸附方式的吸附情况。结果表明,CH3Cl在ZnO(100)和ZnO(001)表面的吸附过程均为化学吸附。当CH3Cl整体吸附时,CH3Cl分子中的Cl原子可以与ZnO表面的Zn(2a)原子生成Zn-Cl键,CH3Cl在ZnO(100)表面的吸附能比在ZnO(001)表面的吸附能更低(-0.57 e V vs-0.42 e V),体系更稳定。当CH3Cl解离吸附时,甲基自由基中的C原子可以分别与ZnO(100)表面的O(2a)和O(3a)吸附,CH3Cl解离吸附在Zn(2a)和O(2a)原子处的吸附能为-1.09 e V,对比在Zn(2a)和O(3a)原子处的吸附能-1.02 e V更低,体系更稳定。过渡态的计算结果表明,CH3Cl解离吸附在Zn(2a)和O(2a)位点的过渡态能垒比在Zn(2a)和O(3a)位点更低(1.69 e V vs 2.06e V),因此CH3Cl解离吸附反应倾向于在ZnO(100)表面上相邻的Zn和O原子之间发生。(2)建立CuO(111)表面的吸附模型,对CH3Cl在CuO(111)表面的吸附进行了研究,研究表明CH3Cl在CuO(111)表面的整体吸附,只有在Cusub(2a)位吸附时才为化学吸附,其余为物理吸附。对于CH3Cl的解离吸附,在Cusub(2a)和Osuf(2a)、Cusub(3a)和Osuf(2a)位上形成稳定的两个Cu-Cl键结构,其吸附能明显高于其他解离结构。过渡态计算结果表明,CH3Cl解离吸附在Cusub(2a)和Osuf(1a)位的最低能垒为2.649 e V,因此在CuO(111)表面上相邻的Cu和O原子之间更容易发生CH3Cl解离吸附反应。(3)建立了由ZnO(100)表面和CuO(111)表面组成的异质结模型,计算并对比了氧化铜催化剂和异质结催化剂的催化吸附性能差距。结果表明,CH3Cl在异质结表面的整体吸附的吸附能为-0.66 e V,相对于CH3Cl在CuO(111)表面的吸附能(-0.448 e V),异质结催化剂的结构稳定性高于CuO(111)表面。CH3Cl在异质结表面发生解离吸附,并形成Cu-Cl键的过程中,Cusub(2a)原子和H原子均失去电子,Cl原子和C原子均得到电子。与CuO(111)表面相比,在CH3Cl与异质结表面形成Cu-Cl键的解离吸附过程中,转移的电荷量更多,吸附结构的稳定性更高。结果验证了ZnO助催化剂对于CH3Cl在CuO表面的吸附解离具有明显的提升作用。
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