物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (11): 2011012.doi: 10.3866/PKU.WHXB202011012
所属专题: 能源与材料化学
刘源1,2,3, 段增晖2, 李隽2,3, 常春然1,*()
收稿日期:
2020-11-03
录用日期:
2020-11-26
发布日期:
2020-12-03
通讯作者:
常春然
E-mail:changcr@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
Yuan Liu1,2,3, Zenghui Duan2, Jun Li2,3, Chunran Chang1,*()
Received:
2020-11-03
Accepted:
2020-11-26
Published:
2020-12-03
Contact:
Chunran Chang
E-mail:changcr@mail.xjtu.edu.cn
About author:
Chunran Chang, Email: changcr@mail.xjtu.edu.cnSupported by:
摘要:
晶格限域的Fe©SiO2催化剂在甲烷无氧直接转化生成乙烯的反应中表现出优异的性能。但由于反应条件苛刻,对该反应的分子机理研究一直存在较大的挑战。本文采用反应力场的方法模拟近反应条件下甲烷无氧直接转化气相机理,发现当气相只有甲基自由基存在时,很难产生高选择性乙烯产物。当在气相中加入氢自由基时,虽能在一定程度上增强甲烷的活化,但同样较难生成乙烯。高温下热裂解C10H12分子能同时产生氢自由基和乙烯分子,能合理地解释实验中加入C10H12分子可以在一定程度上提高乙烯选择性和甲烷转化率的现象。总之,甲烷无氧直接转化高选择性生成乙烯很难通过单纯的气相反应机理来实现,进而推断催化剂表面在甲烷活化和转化的整个过程中起着至关重要的作用。
刘源, 段增晖, 李隽, 常春然. 基于ReaxFF的甲烷无氧转化气相机理研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(11), 2011012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011012
Yuan Liu, Zenghui Duan, Jun Li, Chunran Chang. Gas-Phase Mechanism Study of Methane Nonoxidative Conversion by ReaxFF Method[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(11), 2011012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011012
Table 1
Comparison of energetics calculated by ReaxFF and quantum chemistry methods of typical elementary reactions."
Elementary step | ΔECCSD(T)/ΔEReaxFF (eV) | EaCCSD(T)/EaReaxFF (eV) |
2CH3∙ → C2H6 | −1.25/−0.85 | N/A |
CH3∙ + H∙ → CH4 | −2.45/−2.43 | N/A |
CH3∙ + H2 → CH4 + H∙ | 0.48/0.39 | 2.04/2.07 |
C2H6 + H∙ → C2H5∙ + H2 | −0.82/−0.81 | 1.54/1.82 |
C2H6 + CH3∙ → C2H5∙ + CH4 | −0.35/−0.42 | 2.09/2.40 |
C2H5∙ → C2H4 + H∙ | 0.36/0.51 | 1.77/2.03 |
1 |
Amos R. D. Mol. Phys. 1979, 38, 33.
doi: 10.1080/00268977900101511 |
2 |
Zhan C. G. ; Nichols J. A. ; Dixon D. A. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 4184.
doi: 10.1021/jp0225774 |
3 | Luo, Y. R. Comprehensive Handbook of Chemical Bond Energies; CRC Press: Boca Raton, 2007; pp. 19–145. |
4 |
Lunsford J. H. Catal. Today 2000, 63, 165.
doi: 10.1016/S0920-5861(00)00456-9 |
5 |
Schwarz H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10096.
doi: 10.1002/anie.201006424 |
6 |
Tang P. ; Zhu Q. J. ; Wu Z. X. ; Ma D. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2580.
doi: 10.1039/c4ee00604f |
7 |
Weaver J. F. ; Hakanoglu C. ; Antony A. ; Asthagiri A. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7536.
doi: 10.1039/c3cs60420a |
8 |
Spivey J. J. ; Hutchings G. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 792.
doi: 10.1039/c3cs60259a |
9 |
Horn R. ; Schlogl R. Catal. Lett. 2015, 145, 23.
doi: 10.1007/s10562-014-1417-z |
10 |
Zhao Z. J. ; Chiu C. C. ; Gong J. L. Chem. Sci. 2015, 6, 4403.
doi: 10.1039/c5sc01227a |
11 |
Olivos-Suarez A. I. ; Szecsenyi A. ; Hensen E. J. M. ; Ruiz-Martinez J. ; Pidko E. A. ; Gascon J. ACS Catal. 2016, 6, 2965.
doi: 10.1021/acscatal.6b00428 |
12 |
Schwach P. ; Pan X. L. ; Bao X. H. Chem. Rev. 2017, 117, 8497.
doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00715 |
13 |
Vernon P. D. F. ; Green M. L. H. ; Cheetham A. K. ; Ashcroft A. T. Catal. Today 1992, 13, 417.
doi: 10.1016/0920-5861(92)80167-L |
14 |
York A. P. E. ; Xiao T. C. ; Green M. L. H. Top. Catal. 2003, 22, 345.
doi: 10.1023/A:1023552709642 |
15 |
Jones G. ; Jakobsen J. G. ; Shim S. S. ; Kleis J. ; Andersson M. P. ; Rossmeisl J. ; Abild-Pedersen F. ; Bligaard T. ; Helveg S. ; Hinnemann B. ; et al J. Catal. 2008, 259, 147.
doi: 10.1016/j.jcat.2008.08.003 |
16 |
Li D. L. ; Nakagawa Y. ; Tomishige K. Appl. Catal. A 2011, 408, 1.
doi: 10.1016/j.apcata.2011.09.018 |
17 |
Pakhare D. ; Spivey J. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7813.
doi: 10.1039/c3cs60395d |
18 |
Keller G. E. ; Bhasin M. M. J. Catal. 1982, 73, 9.
doi: 10.1016/0021-9517(82)90075-6 |
19 |
Ito T. ; Wang J. X. ; Lin C. H. ; Lunsford J. H. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 5062.
doi: 10.1021/ja00304a008 |
20 |
Hutchings G. J. ; Scurrell M. S. ; Woodhouse J. R. Chem. Soc. Rev. 1989, 18, 251.
doi: 10.1039/cs9891800251 |
21 |
Lunsford J. H. Angew. Chem. Int. Ed. 1995, 34, 970.
doi: 10.1002/anie.199509701 |
22 |
Groothaert M. H. ; Smeets P. J. ; Sels B. F. ; Jacobs P. A. ; Schoonheydt R. A. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1394.
doi: 10.1021/ja047158u |
23 |
Palkovits R. ; Antonietti M. ; Kuhn P. ; Thomas A. ; Schuth F. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6909.
doi: 10.1002/anie.200902009 |
24 |
Kwapien K. ; Paier J. ; Sauer J. ; Geske M. ; Zavyalova U. ; Horn R. ; Schwach P. ; Trunschke A. ; Schlogl R. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 8774.
doi: 10.1002/anie.201310632 |
25 |
Grundner S. ; Markovits M. A. C. ; Li G. ; Tromp M. ; Pidko E. A. ; Hensen E. J. M. ; Jentys A. ; Sanchez-Sanchez M. ; Lercher J. A. Nat. Commun. 2015, 6, 7546.
doi: 10.1038/ncomms8546 |
26 |
Ikuno T. ; Zheng J. ; Vjunov A. ; Sanchez-Sanchez M. ; Ortuno M. A. ; Pahls D. R. ; Fulton J. L. ; Camaioni D. M. ; Li Z. Y. ; Ray D. ; et al J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 10294.
doi: 10.1021/jacs.7b02936 |
27 |
Sushkevich V. L. ; Palagin D. ; Ranocchiari M. ; van Bokhoven J. A. Science 2017, 356, 523.
doi: 10.1126/science.aam9035 |
28 |
Wang P. W. ; Zhao G. F. ; Wang Y. ; Lu Y. Sci. Adv. 2017, 3, e1603180.
doi: 10.1126/sciadv.1603180 |
29 |
Xie J. J. ; Jin R. X. ; Li A. ; Bi Y. P. ; Ruan Q. S. ; Deng Y. C. ; Zhang Y. J. ; Yao S. Y. ; Sankar G. ; Ma D. ; et al Nat. Catal. 2018, 1, 889.
doi: 10.1038/s41929-018-0170-x |
30 |
Wang L. S. ; Tao L. X. ; Xie M. S. ; Xu G. F. ; Huang J. S. ; Xu Y. D. Catal. Lett. 1993, 21, 35.
doi: 10.1007/BF00767368 |
31 |
Weckhuysen B. M. ; Wang D. J. ; Rosynek M. P. ; Lunsford J. H. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 2374.
doi: 10.1002/anie.199723741 |
32 |
Zhang C. L. ; Li S. A. ; Yuan Y. ; Zhang W. X. ; Wu T. H. ; Lin L. W. Catal. Lett. 1998, 56, 207.
doi: 10.1023/A:1019046104593 |
33 |
Weckhuysen B. M. ; Wang D. J. ; Rosynek M. P. ; Lunsford J. H. J. Catal. 1998, 175, 338.
doi: 10.1006/jcat.1998.2010 |
34 |
Xu Y. D. ; Lin L. W. Appl. Catal. A 1999, 188, 53.
doi: 10.1016/S0926-860x(99)00210-0 |
35 |
Liu S. T. ; Wang L. ; Ohnishi R. ; Ichikawa M. J. Catal. 1999, 181, 175.
doi: 10.1006/jcat.1998.2310 |
36 |
Ma D. ; Shu Y. Y. ; Han X. W. ; Liu X. M. ; Xu Y. D. ; Bao X. H. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 1786.
doi: 10.1021/jp002011k |
37 |
Su L. L. ; Ma D. ; Liu X. M. ; Xu Y. D. ; Bao X. H. Chin. J. Catal. 2002, 23, 41.
doi: 10.3321/j.issn:0253-9837.2002.01.010 |
38 |
Xu Y. D. ; Bao X. H. ; Lin L. W. J. Catal. 2003, 216, 386.
doi: 10.1016/S0021-9517(02)00124-0 |
39 |
Su L. L. ; Liu L. ; Zhuang J. Q. ; Wang H. X. ; Li Y. G. ; Shen W. J. ; Xu Y. D. ; Bao X. H. Catal. Lett. 2003, 91, 155.
doi: 10.1023/B:CATL.0000007149.48132.5a |
40 |
Ismagilov Z. R. ; Matus E. V. ; Tsikoza L. T. Energy Environ. Sci. 2008, 1, 526.
doi: 10.1039/b810981h |
41 |
Gao J. ; Zheng Y. T. ; Jehng J. M. ; Tang Y. D. ; Wachs I. E. ; Podkolzin S. G. Science 2015, 348, 686.
doi: 10.1126/science.aaa7048 |
42 |
Sun C. Y. ; Fang G. Z. ; Guo X. G. ; Hu Y. L. ; Ma S. Q. ; Yang T. H. ; Han J. ; Ma H. ; Tan D. L. ; Bao X. H. J. Energy Chem. 2015, 24, 257.
doi: 10.1016/S2095-4956(15)60309-6 |
43 |
Tan P. L. J. Catal. 2016, 338, 21.
doi: 10.1016/j.jcat.2016.01.027 |
44 |
Lai Y. ; Veser G. Catal. Sci. Technol. 2016, 6, 5440.
doi: 10.1039/c5cy02258d |
45 |
Sun K. D. ; Ginosar D. M. ; He T. ; Zhang Y. L. ; Fan M. H. ; Chen R. P. Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 1768.
doi: 10.1021/acs.iecr.7b04707 |
46 | Chen Q. ; Jiang L. X. ; Li H. F. ; Chen J. J. ; Zhao Y. X. ; He S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1014. |
陈强; 姜利学; 李海方; 陈娇娇; 赵艳霞; 何圣贵. 物理化学学报, 2019, 35, 1014.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201811039 |
|
47 | Wang D. ; Ding X. L. ; Liao H. L. ; Dai J. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1005. |
王丹; 丁迅雷; 廖珩璐; 戴佳钰. 物理化学学报, 2019, 35, 1005.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201809006 |
|
48 |
Guo X. G. ; Fang G. Z. ; Li G. ; Ma H. ; Fan H. J. ; Yu L. ; Ma C. ; Wu X. ; Deng D. H. ; Wei M. M. ; et al Science 2014, 344, 616.
doi: 10.1126/science.1253150 |
49 |
Hao J. Q. ; Schwach P. ; Fang G. Z. ; Guo X. G. ; Zhang H. L. ; Shen H. ; Huang X. ; Eggart D. ; Pan X. L. ; Bao X. H. ACS Catal. 2019, 9, 9045.
doi: 10.1021/acscatal.9b01771 |
50 |
Kim S. K. ; Kim H. W. ; Han S. J. ; Lee S. W. ; Shin J. ; Kim Y. T. Commun. Chem. 2020, 3, 58.
doi: 10.1038/s42004-020-0306-1 |
51 |
Liu Y. ; Liu J. C. ; Li T. H. ; Duan Z. H. ; Zhang T. Y. ; Yan M. ; Li W. L. ; Xiao H. ; Wang Y. G. ; Chang C. R. ; et al Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18586.
doi: 10.1002/anie.202003908 |
52 | van Duin, A. C. T.; Goddard, W. A.; Islam, M. M.; van Schoot, H.; Trnka, T.; Yakovlev, A. L. ReaxFF, 2017, SCM, Theoretical Chemistry, Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands, http://www.scm.com |
53 |
Martyna G. J. ; Klein M. L. ; Tuckerman M. J. Chem. Phys. 1992, 97, 2635.
doi: 10.1063/1.463940 |
54 |
Chenoweth K. ; van Duin A. C. T. ; Goddard W. A. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1040.
doi: 10.1021/jp709896w |
55 |
Dontgen M. ; Przybylski-Freund M. D. ; Kroger L. C. ; Kopp W. A. ; Ismail A. E. ; Leonhard K. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11, 2517.
doi: 10.1021/acs.jctc.5b00201 |
56 |
Zhao Y. ; Truhlar D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215.
doi: 10.1007/s00214-007-0401-8 |
57 |
Dunning T. H. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007.
doi: 10.1063/1.456153 |
58 |
Purvis G. D. ; Bartlett R. J. J. Chem. Phys. 1982, 76, 1910.
doi: 10.1063/1.443164 |
59 | Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2013. |
[1] | 华广斌, 樊晏辰, 张千帆. 计算模拟在锂金属负极研究中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008089 - . |
[2] | 张长胜,来鲁华. 生物分子液-液相分离的物理化学机制[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1907053 - . |
[3] | 王丹,丁迅雷,廖珩璐,戴佳钰. 单个金或银原子掺杂的氧化钒团簇上的甲烷活化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 1005 -1013 . |
[4] | 陈强,姜利学,李海方,陈娇娇,赵艳霞,何圣贵. 钒硼双原子阳离子活化甲烷研究[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 1014 -1020 . |
[5] | 刘海,李毅,马兆侠,周智炫,李俊玲,何远航. 定常冲击波作用下六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/奥克托今(HMX)含能共晶初始分解机理研究[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 858 -867 . |
|