基于DFT的愈创木酚在过渡金属表面的吸附研究

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随着对不可再生化石资源的不断利用和开采,化石资源已经濒临枯竭,能源危机和环境问题越发严重。开发利用低碳、绿色、环保的可再生能源已成为当前的研究潮流。木质素是自然界第二大聚合物,是唯一价格便宜、来源广泛,具有芳香环结构的可再生资源。通过对木质素进行催化转化可以制备酚类、芳香类化学品和高品位的烃类燃料,能够替代一些以化石资源为原材料生产化学品和燃料的过程。在木质素的催化转化过程中,过渡金属催化剂被广泛的运用,Cu和Rh属于不同的族,研究木质素以Cu和Rh为催化剂的催化转化,可以更好的了解过渡金属体系对木质素的催化转化性能。吸附是催化反应的必经步骤,反应物只有与催化剂发生化学吸附,催化剂才能发生催化反应。因此对木质素及其模型化合物催化转化过程中在金属表面的吸附进行研究,可以为高效催化剂的选择和制备提供理论依据。本文采用密度泛函理论,利用VASP软件,通过结构优化、差分电荷密度、Bader电荷和态密度的分析,研究木质素模型化合物愈创木酚,在Cu(111)、Rh(111)以及Ce修饰的Ce-Cu(111)表面的吸附行为。愈创木酚在Cu(111)表面吸附时,于Hcp30°-Top-Fcc位最稳定,其吸附能为128.94 kJ/mol。愈创木酚的p轨道与Cu(111)表面的d轨道发生杂化作用是愈创木酚与金属Cu之间发生吸附和催化反应的主要原因,p轨道由芳香环上的C原子和甲氧基上的O原子(O1)贡献。愈创木酚在Rh(111)表面于Bridge30°-Top-Fcc位吸附时最稳定,其吸附能为238.91 kJ/mol。吸附前后芳香环上碳碳键的键长变化较大,吸附后芳香环上的C原子与金属表面成键。愈创木酚的p轨道和Rh(111)表面d轨道的杂化作用是愈创木酚与金属Rh之间发生吸附和催化反应的主要原因,其中p轨道是由芳香环上的C原子,甲氧基上的O1原子以及羟基上的O原子(O2)共同贡献,芳香环上C原子的p轨道贡献最大。Ce原子对Cu(111)表面进行修饰后,以间位态构成的Ce-Cu(111)表面的稳定性最好。愈创木酚在Ce-Cu(111)面吸附时,最稳定的吸附位为BridgeCe-Cu30o-BridgeCe-Cu-BridgeCu-Cu,吸附能为221.27 kJ/mol,与芳香环相连的C-OH之间的C-O键键长在吸附前后变化最大。由态密度可知,在-18.0-17 eV的区域内,愈创木酚与Ce-Cu(111)表面的p轨道有电子杂化作用,其p轨道由Ce原子提供。-5.0 eV到费米能级处愈创木酚O1p、O2p和Cp轨道与Ce-Cu(111)表面的d轨道发生杂化,d轨道由Cu原子提供。综上可知:愈创木酚在三种金属表面吸附时,吸附能大小顺序为:Rh(111)>Ce-Cu(111)>Cu(111);Cu(111)表面与甲氧基的相互作用较强,修饰后的Ce-Cu(111)表面则与羟基的相互作用较强,Rh(111)表面与芳香环的相互作用较强。
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