一种加氢脱硫催化剂表面活性相与其催化活性构效关系的解析方法技术

一种加氢脱硫催化剂表面活性相与其催化活性构效关系的解析方法。本发明专利技术基于DFT理论计算利用DFT研究催化剂的不同活性相特性及模型分子在表面其催化脱硫的反应网络。通过研究不同活性相的催化剂的表面性质，模型分子在其表面的吸附以及脱硫反应网络，结合表面电子结构特性分析、反应势垒与反应速率及热力学与动力学分析，认识催化剂活性相与脱硫活性构效关系，最后归纳脱硫加氢反应机理，结合催化剂几何结构及电子结构分析阐明加氢脱硫催化剂表面活性相与其脱硫催化活性构效关系；本计算方法简介快速，结果准确，为工业脱硫催化剂的设计提供理论指导，具有重要的实践意义。

Analytical method for structure-activity relationship of surface active phase and catalytic activity of hydrodesulfurization catalyst

An analytical method for the structure-activity relationship of the surface active phase and its catalytic activity of hydrodesulfurization catalyst is presented. Based on the theory of DFT, the invention calculates and utilizes DFT to study the characteristics of different active phases of the catalyst and the reaction network of the model molecule on the surface of the catalyst for catalytic desulfurization. By studying the surface properties of catalysts with different active phases, the adsorption of model molecules on their surfaces and the desulfurization reaction network, combining with the analysis of surface electronic structure characteristics, reaction barrier and reaction rate, thermodynamics and kinetics, the relationship between the active phase and the desulfurization activity of catalysts is understood. Finally, the desulfurization and hydrogenation reactions are concluded. The structure-activity relationship between the surface active phase of hydrodesulfurization catalyst and its desulfurization catalytic activity was elucidated by combining the analysis of catalyst geometry and electronic structure.

【技术实现步骤摘要】
一种加氢脱硫催化剂表面活性相与其催化活性构效关系的解析方法
本专利技术涉及催化剂分子的开发与利用领域，具体涉及一种催化剂表面活性相与其脱硫催化活性关系的解析方法，其特征是利用密度泛函理论(DFT)识别活性相并建立其与脱硫活性构效关系的一种方法。
技术介绍
国家出台政策严格限制石油中硫元素的含量，发展高效脱硫催化剂成为一项紧急的任务。目前钼基硫化物由于其高效的脱硫加氢选择性广泛应用于石油工业脱硫中，但是催化剂在加氢脱硫条件下展现出不同的形貌，过渡金属原子的修饰同样影响原油脱硫速率以及其产物选择性。目前实验手段下很难观察认识多种不同处理手段下的钼基硫化物与其展现出的优异脱硫活性的构效关系，借助DFT理论计算模拟，可以从电子层次和原子层次上认识不同处理手段下的催化剂的活性相及其对应的脱硫关系，从而建立活性相与脱硫活性之间的构效关系，为工业生产高效选择性的脱硫催化剂提供理论指导。
技术实现思路
本专利技术旨在建立催化剂表面活性相与其脱硫催化活性构效关系的一种解析方法。利用DFT研究催化剂的不同活性相特性及模型分子在表面其催化脱硫的反应网络。通过研究不同活性相的催化剂的表面性质，模型分子在其表面的吸附以及脱硫反应网络，结合表面电子结构特性分析、反应势垒与反应速率及热力学与动力学分析，认识催化剂活性相与脱硫活性构效关系。本专利技术采用的计算模拟软件为美国Accelrys公司研发的MaterialsStudio(MS)软件，其中的Dmol3可用来模拟表面、气相及固体等过程而应用于本专利技术中。本专利技术的内容主要包括催化剂的不同活性相中模型分子的吸附及通过脱硫反应分析认识活性相与催化活性关系两部分，具体内容如下：(1)催化剂的不同活性相中的模型分子的吸附系统研究催化剂的不同活性相的结构与性质，通过MS构建需要研究的不同活性相的催化剂，通过前线轨道分析与静电势面的研究，确定其各自的活性相及其本质特性；研究含硫化合物在其各自的活性位上的吸附，分析其之间的电荷转移情况，并分析各种吸附构型的成键与键的活化情况，根据键的活化情况初步预测其活性相所对应的脱硫活化机理；根据态密度、前线轨道、静电势以及密里根电荷布居分析的结果，相互验证吸附能以及成键的本质因素，明确吸附过程的电荷转移情况，初步认识活性相与成键活化的关系。(2)认识活性相与催化活性关系选择不同活性相上分别对应的最稳定吸附结构，研究各自结构的脱硫基元反应，认识各基元反应中键的活化与电荷转移特点，明确各反应基元步骤的最佳反应位点，构建各自的脱硫反应网络；结合吸附结构与各自的不同的反应网络，分析不同基元步的发生以及同一基元步不同反应能量与活性相的关系；最终对比分析活性相对脱硫反应的选择性及其各自的最优反应，认识催化剂活性相与脱硫活性之间的本质联系。本专利技术的优点在于：提供了一种系统的方法去认识加氢脱硫催化剂活性相与脱硫活性的关系，本计算方法简介快速，结果准确，通过理论计算构建不同的催化剂活性相，认识各自的活性相的特性，明确各自活性相对应的脱硫反应选择性，从而构建催化剂活性相与脱硫反应活性的构效关系，为工业生产脱硫催化剂提供理论指导。附图说明本说明书包括如下附图：图1技术流程图具体实施方式本专利技术所涉及到的相关技术步骤如附图1所示，结合附图1与以下的具体一个实例，说明本专利技术的具体应用步骤。实例基于密度泛函理论计算，系统研究了过渡金属Co原子两种不同位置修饰下的MoS2三角形团簇的表面性质及相关脱硫反应势能面，通过分析比较掌握边缘与角位两种不同活性相所对应的不同脱硫活性，进一步说明本专利技术的技术方案和优点。具体实施方式包括以下4步：1.模型建立1)根据相关实验与理论模拟文献，建立边缘修饰与角位修饰下的两种MoS2纳米团簇模型，以噻吩作为汽油模型分子，并对模型分子与催化剂进行试算，与相关文献进行对比验证分析；2)查阅相关计算文献，选取合适的计算方法，如本案例采取的DFT方法与GGA-PW91基组作为交换相关泛函计算。2.计算模拟1)利用MS软件MaterialsVisualizer模块，建立H2和噻吩分子模型。根据相关文献建立的三角形MoS2团簇的边缘均为Mo边缘，且均为50％-S覆盖，利用DMol3模块对催化剂及其它模型分子进行结构优化得到最稳定结构，将边缘一个Mo原子进行Co原子替代，根据替换的Mo原子的位置的不同，分为边缘修饰和角位修饰两种模型，并产生相应的不同空缺位，对其进行优化计算；2)对催化剂模型进行静电势与轨道计算，另分别在边缘与角位修饰的MoS2上进行噻吩分子的吸附以及H原子共吸附时的结构进行优化计算，并进行相关电子结构分析，对反应中间体进行吸附计算，寻找最稳定中间体进行反应计算；3)以不同修饰位分别的最稳定噻吩吸附态作为初态，各断键加氢中间体为末态，采用MS中的LST/QST方法进行过渡态的搜寻，得到各自的反应势能面，并对相关的级元反应的反应速率进行计算以及相关的热学性质；4)绘制各自的HDS势能面网络，明确各自的脱硫活性以及反应速率。3.结果分析1)认识催化剂活性相：明确催化剂表面的静电势面，比较分析不同催化剂对应的LUMO轨道，认识路易酸位的存在，比较其吸附空间位阻；2)吸附与反应基元步分析：比较模型分子在催化剂上的吸附类型、吸附能、模型分子的活化情况，比较相同基元步的不同活化能垒，不同催化剂的不同基元步，并对比反应速率以及各自的速率控制步骤，明确不同修饰位对应的不同反应机理以及脱硫活性与选择性；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；计算不同修饰位催化剂相应的熵变、焓变及自由能等热力学性质。4.成果提炼1)揭示Co原子修饰位对催化剂活性位的影响；2)阐释不同位置Co修饰催化剂的脱硫活性及各自反应机理；3)深入认识Co修饰位与催化脱硫活性的关系。以上所述，仅为本专利技术的实施例而已。并非对本专利技术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专利技术；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本专利技术技术方案范围内，可利用以上所揭示的
技术实现思路
而作出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本专利技术的等效实施例；同时，凡依据本专利技术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，均属于本专利技术的技术方案的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提供了一种加氢脱硫催化剂表面活性相与其催化活性构效关系的解析方法，利用DFT研究加氢脱硫催化剂的不同活性相特性及汽油模型分子在其表面催化脱硫反应网络。通过研究不同活性相的催化剂的表面性质、汽油模型分子在其表面的吸附及脱硫反应网络，结合表面几何结构分析、电子结构特性分析、催化热力学与动力学、反应速率等分析手段，认识加氢脱硫催化剂活性相与催化活性的构效关系。(1)构建催化剂及气相分子模型利用MS软件中的Materials Visualizer模块构建HDS催化剂活性位表面模型作为基底；构建含硫化合物分子以及其HDS过程中的所有可能中间体、脱硫产物的气相分子模型；构建吸附质分子与H原子的共吸附结构模型；(2)结构优化及分子吸附优化查找文献选择合适的计算基组，利用MS软件中的DMol3模块对具有各种不同活性相的催化剂及其它模型分子进行结构优化得到最稳定结构；对催化剂模型进行静电势与轨道计算，另分别在催化剂上进行汽油模型分子的吸附以及与H原子共吸附时的结构进行优化计算，并进行相关电子结构分析，对反应中间体进行吸附计算，寻找最稳定中间体吸附结构；(3)过渡态寻找及反应速率计算以不同活性相催化剂分别对应的最稳定汽油模型分子吸附态作为初态，各断键加氢中间体为末态，采用MS中的LST/QST方法进行过渡态的搜寻；通过Hessian矩阵计算相关频率，借助Vibrational Analysis工具得到反应过渡态与初态的频率数据，并验证过渡态存在的正确性；由过渡态和初态频率数据及得到的基元反应能垒计算相关的基元反应的反应速率常数；并计算其相应的热力学性质，从而获得不同热力学条件下各活性相催化剂的形成。(4)反应网络构建与综合分析构建各活性相的HDS反应网络，比较分析反应活化能垒、反应速率及各速率控制步骤，从而明确各催化活性相的HDS反应机理及脱硫活性与选择性；综合催化剂几何结构和电子结构特性，阐明表面活性相与脱硫催化活性构效关系。绘制各自的HDS势能面网络，明确催化剂表面的静电势面，比较分析不同催化剂对应的LUMO轨道；比较模型分子在催化剂上的吸附类型、吸附能、模型分子的活化情况，比较相同基元步的不同活化能垒，不同催化剂的不同基元步，并对比反应速率以及各自的速率控制步骤，从而明确不同活性相对应的不同反应机理以及脱硫活性与选择性；利用计算的热力学以及吉布斯自由能从而进行活性相催化剂合成条件探索，进行调控活性相组成。...

【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种加氢脱硫催化剂表面活性相与其催化活性构效关系的解析方法，利用DFT研究加氢脱硫催化剂的不同活性相特性及汽油模型分子在其表面催化脱硫反应网络。通过研究不同活性相的催化剂的表面性质、汽油模型分子在其表面的吸附及脱硫反应网络，结合表面几何结构分析、电子结构特性分析、催化热力学与动力学、反应速率等分析手段，认识加氢脱硫催化剂活性相与催化活性的构效关系。(1)构建催化剂及气相分子模型利用MS软件中的MaterialsVisualizer模块构建HDS催化剂活性位表面模型作为基底；构建含硫化合物分子以及其HDS过程中的所有可能中间体、脱硫产物的气相分子模型；构建吸附质分子与H原子的共吸附结构模型；(2)结构优化及分子吸附优化查找文献选择合适的计算基组，利用MS软件中的DMol3模块对具有各种不同活性相的催化剂及其它模型分子进行结构优化得到最稳定结构；对催化剂模型进行静电势与轨道计算，另分别在催化剂上进行汽油模型分子的吸附以及与H原子共吸附时的结构进行优化计算，并进行相关电子结构分析，对反应中间体进行吸附计算，寻找最稳定中间体吸附结构；(3)过渡态寻找及反应速率计算以不同活性相催化剂分别对应的最稳定汽油模型分子吸附态作为初态，各断键加氢中间体为末态，采用MS中的LST/QST方法进行过渡态的搜寻；通过Hessian矩阵计算相关频率，借助VibrationalAnalysis工具得到反应过渡态与初态的频率数据，并验证过渡态存在的正确性；由过渡态和初态频率数据及得到的基元反应能垒计算相关的基元反应的反应速率常数；并计算其相应的热力学性质，从而获得不同热力学条件下各活性相催化剂的形成。(4)反应网络构建与综合分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁效庆，张田，郭琛，曹守福，王茂槐，张全德，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37