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Angew. Chem. :基于第一性原理筛选高效重整生成油选择性加氢催化剂2024-06-29
芳烃(苯、甲苯、二甲苯,即BTX)作为一种重要有机化工原料,被广泛用于生产塑料、聚合物、染料和胶粘剂。然而,重整生成油中除了芳烃外,还含有少量的烯烃杂质(如C5-C8链状和环状烯烃),会对下游反应产生不利影响。选择性加氢工艺可以通过催化剂还原烯烃杂质并直接分离加氢产物,已成功应用于精炼重整生成油。

非均相催化剂因易分离、可重复使用和耐久性的特性广泛应用于烯烃加氢反应,其中掺杂第二种金属制备合金催化剂是常见的加氢催化剂改性手段。基于反应机理的密度泛函理论计算,可以有效缩短催化剂研发进程,提高催化剂研发效率。

考虑到加氢反应环境中H对催化剂表面的影响,北京化工大学程道建课题组计算了纯金属表面对H原子的吸附能力,将金属分为H-亲和原子和H-惰性原子,并根据合金表面组成预测反应环境中H在合金催化剂表面的吸附情况。

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以乙烯加氢和环丙烯加氢为探针反应,选取H覆盖度和H原子吸附能为活性描述符,关联烯烃加氢过程中的初态、过渡态和末态能量,根据催化剂在活性火山图中的位置可大致判断催化剂在链状烯烃和环状烯烃加氢反应中的活性。

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综合考虑环状烯烃加氢和链状烯烃加氢活性,并以苯吸附能为选择性描述符,作者从Materials Project数据库中筛选出172种稳定的双金属合金催化剂,并基于描述符评估候选催化剂在重整生成油中的活性和选择性。以Pd催化剂为标准,采用理论方法得到贵金属利用率为1/4的Zn3Ir1候选催化剂。

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为验证理论筛选结果,实验制备并表征了Al2O3负载的Zn3Ir1合金催化剂,并与纯Pd催化剂进行比较,实验结果显示,Zr3Ir1合金催化剂的活性和选择性整体优于Pd催化剂,这有力地证明了本工作提出的理论筛选策略在识别重整生成油选择性加氢合金催化剂方面的可靠性和优势。

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文信息

Discovery of Alloy Catalysts Beyond Pd for Selective Hydrogenation of Reformate via First-principle Screening with Consideration of H-coverage

Jiayi Wang, Haoxiang Xu,Yihao Zhang, Jianguo Wu, Haowen Ma, Xuecheng Zhan, Jiqin Zhu, and Daojian Cheng

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202317592