CN107312566A - 一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法 - Google Patents

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Abstract

一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法。本发明基于DFT理论计算系统研究MoS2催化剂表面HDS过程，通过研究MoS2边缘活性位形成规律、含硫化合物在活性位的吸附、加氢与脱硫反应机理。利用几何结构分析、热力学、反应动力学与热力学、反应速率分析，结合分子前线轨道、电荷布局、态密度等电子结构特性分析，明确钼基硫化物活性位性质以及HDS基元反应与产物的竞争选择性。本发明方便、快捷、准确且节约资源，为高效钼基硫化物催化剂的筛选提供了理论指导。

Description

一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法
技术领域
本发明涉及加氢脱硫催化剂的设计、筛选与应用领域，具体涉及一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法，其特征是运用密度泛函理论(DFT)研究钼基硫化物催化剂加氢脱硫(HDS)过程中的活性特点。
背景技术
原油中大量含硫化合物在炼制和使用过程中造成一系列环境问题，因此有效脱除原油中的硫元素、实现清洁能源的生产成为当前研究的热点。催化加氢脱硫是生产清洁燃料的重要手段之一，通过氢气作用，实现有机硫化物向烷烃、烯烃的转换，而分子内S原子以H2S形式脱除。钼基硫化物催化剂由于其造价低、催化性能好等优势被广泛应用于工业HDS过程中。层状MoS2结构在HDS条件下以团簇形式存在，由于Mo原子强的金属性，其催化活性位主要分布于MoS2的Mo边缘。表面改性的配位不饱和中心(CUS)以及Co、Ni原子能够有效提高钼基硫化物催化剂的HDS效率，其改性机理是由于CUS与修饰原子的高活性有助于提高硫化物分子的吸附、降低加氢与脱硫过程的活化能垒。为实现超低硫石油生产与应用，多种形貌的MoS2催化剂上的HDS过程受到了广泛关注，但由于实验上的局限性，无法对于催化剂催化活性特点进行详尽的解释，借助DFT理论模拟，可以从分子水平上认识催化剂活性位的形结构特点以及催化反应机理，从而指导钼基硫化物催化剂的设计与筛选。
发明内容
本发明旨在提供一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法。运用DFT方法研究钼基硫化物表面活性位(CUS)形成特点及含硫化合物在催化剂表面的HDS反应，通过研究表面活性位结构、硫化物的吸附、HDS基元反应与产物的竞争选择机理，结合热力学性质、电子结构特性、基元反应热力学与动力学等分析方法筛选高效钼基硫化物催化剂。
本发明采用由美国Accelrys公司研发的Materials Studio(简写为MS)的计算机模拟软件，所有计算均采用其中的DMol3模块。
本发明的内容主要包括钼基硫化物催化活性位的探索和硫化物HDS的竞争选择性的研究两部分，具体内容如下：
(1)钼基硫化物催化活性位的探索
系统研究钼基硫化物边缘活性位的形成与特性，通过MS软件构建合理S原子缺陷表面，计算各活性位形成能，研究HDS条件下温度与压强对于活性位形成的影响，明确影响活性位形成的因素；研究硫化物分子在催化剂表面的吸附，计算吸附能并对比不同吸附构型对化学键活性的影响；运用多种电子结构分析方法(分子前线轨道理论、局域态密度、电荷布局分析等)，考察活性位电子结构特性，明确吸附过程电子转移以及成键情况，阐明影响活性位形成与化学键活化的本质因素。
(2)硫化物HDS的竞争选择性的研究
选择合理的活性位及硫化物稳定吸附构型，研究其HDS过程中各基元反应，分析各反应中化学键活化特点，明确最优加氢位点、加氢与断键次序，阐明反应中加氢与脱硫的竞争关系；构建HDS反应网络，研究不同反应产物之间的选择性，筛选最优反应路径；对比分析各活性位之间脱硫效果的优劣，实现对钼基硫化物加氢脱硫催化剂的筛选。
本发明的优点在于：提供了一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法，本方法具有计算简洁、结果准确的优势，通过理论计算明确催化剂活性位特点以及HDS过程中的产物选择性，能够为工业上设计与筛选高效HDS提供理论指导，有利于实现对于催化剂进行针对性改性的目的。
附图说明
本说明书包括如下附图：
图1技术流程图
图2摘要附图
具体实施方式
本发明所涉及的技术流程的示意图如附图1所示，结合说明书附图对本发明进行以下详细说明。
实例基于DFT计算，系统研究了MoS2三角形团簇边缘不同CUS活性位的性质、形成规律以及在CUS位噻吩分子的HDS过程，通过分析活性位与脱硫产物的选择性，进一步说明本发明的技术方案和优点。具体实施方式包括以下4步：
1.模型建立
1)根据实验与理论文献，收集相关实验数据，选取噻吩作为石油模型分子，MoS2作为催化剂模型。对催化剂模型、噻吩以及相关加氢中间体进行试算与测试，并与实验、理论文献中数据进行对比分析；
2)参考相关文献，选取合适的理论计算方法，包括三角形MoS2团簇模型、DFT方法、GGA-PW91基组。
2.计算模拟
1)利用MS软件Materials Visualizer模块构建H原子及噻吩分子模型，钼基硫化物催化剂选取三角形MoS2团簇(Mo18S39)，其中Mo边缘50％硫原子覆盖，每个边缘包含4个Mo原子，利用DMol3模块对所选催化剂与气相吸附质分子进行结构优化，得到最稳定催化剂基底与气体分子模型；在Mo边缘构建不同的S缺陷表面结构，根据缺陷活性位的位置分为角缺陷位和边缘缺陷位，对不同活性位进行计算；
2)在活性位上进行噻吩分子吸附、H原子共吸附结构的优化，并进行相关电子结构计算分析；考虑噻吩加氢位点、加氢顺序、加氢数量构建可能的加氢中间体，对中间体的吸附构型进行计算，筛选合理稳定的加氢中间体；
3)以稳定共吸附构型基元反应为初态，加氢中间体为末态，采用TS Search中的LST/QST方法进行过渡态的搜寻与计算，明确基元反应的反应能与活化能垒；重复相关步骤并持续加氢，得到不同HDS产物(1-丁烯、2-丁烯、二丁烯)；对催化剂表面及关键基元步进行频率计算，并计算相关反应速率及热力学特性；
4)绘制HDS势能面构建完整反应网络，明确HDS反应机理。
3.结果分析
1)催化剂活性位分析：分析催化剂与活性位结构特性，结合形成能与自由能分析活性位形成特点，明确温度、压强对其的影响；
2)吸附及反应过程分析：比较分析吸附构型进行几何结构与吸附能；运用反应动力学及热力学分析HDS反应路径，进一步分析基元反应选择竞争关系；
3)电子结构分析：结合静电势、前线分析轨道、电荷布局、差分电荷、态密度、能带结构分析等分析活性位及吸附过程电子结构特性。
4.成果提炼
1)揭示MoS2催化剂活性位形成机理；
2)阐释各活性位对HDS路径及产物选择性的影响机理；
3)实现对高效钼基硫化物HDS催化剂的筛选
以上所述，仅为本发明的实施例而已。并非对本发明作任何形式上的限制；凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.本发明提供了一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法，运用DFT方法研究钼基硫化物表面活性位(CUS)形成特点及含硫化合物在催化剂表面的HDS反应，通过研究表面活性位结构、硫化物的吸附、HDS基元反应与产物的竞争选择机理，结合热力学性质、电子结构特性、基元反应热力学与动力学等分析方法筛选高效钼基硫化物催化剂，所述方法的实施方式分为以下4步：
(1)模型构建
利用MS软件中的Materials Visualizer模块构建MoS2及相关活性位表面模型作为催化剂基底；构建含硫化合物分子以及其HDS脱硫过程中的所有可能中间体、脱硫产物的气相分子模型；构建硫化物、中间体及产物可能存在的吸附与HDS氢原子共吸附结构模型；
(2)稳定构型的结构优化
利用MS软件中的DMol3模块对(1)中所构建的模型进行几何结构优化，得到稳定的催化剂表面结构、反应物与中间体的稳定吸附构型，通过计算得到对应的吸附能，明确最稳定吸附模型。通过计算各吸附构型的电子结构特性，获取电荷布局、态密度、前线轨道等性质；
(3)过渡态搜索及频率计算
确定HDS基元反应中的稳定初末态构型，运用DMol3模块的TS Search工具，选取LST/QST方法在相同的理论水平下进行过渡态搜索，得到对应的过渡态结构以及反应能与活化能垒信息；通过Hessian矩阵计算相关局部频率，得到表面与吸附质分子的振动频率信息，计算其焓变、熵变、吉布斯自由能等热力学性质，并采用过渡态理论计算其反应速率常数；
(4)反应网络构建与综合分析
对(3)中所得各基元反应路径进行归纳总结，绘制完整的HDS反应网络；明确各反应中的速率控制步骤，对比分析其反应能、活化能垒以及反应速率，分析不同活性位对于反应路径以及产物选择性的影响，从而实现对高效钼基硫化物HDS催化剂的筛选。
2.根据权利要求1所述的一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法，实例中催化剂MoS2选取三角形团簇模型(Mo18S39)，Mo边缘50％硫原子覆盖，共57个原子。
3.根据权利要求1所述的一种筛选钼基硫化物加氢脱硫催化剂的方法，其中运用广义梯度近似(GGA)和PW91泛函相结合的方法(GGA-PW91)计算交换相关能；计算中采用双数值型基组加极化函数(DNP)处理价电子波函数；对金属原子的核内电子采用密度泛函半核芯赝势(DSPP)近似，而对其它原子，如氢、碳、硫原子，则运用全电子计算；在积分计算中能量、梯度、位移和自洽场(SCF)的收敛标准分别为2×10-5Hartree、4×10-3 和1×10-5Hartree；考虑到表面磁矩对吸附能和吸附构型可能的影响，所有的计算都采用自旋极化。
4.根据权利要求1所述的一种分析反应中间体对催化剂活性的影响的方法，其中进行过渡态搜索时，过渡态(TS)的搜索是在与周期性结构计算相同理论等级上采用完全线性同步(LST)和二次同步变换(QST)方法。
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