MoP催化剂上合成气转化制备低碳醇的机理研究

Nowadays, the production of clean fuels and other high value-added chemicals from coal, natural gas and biomass resources is a novel way in energy society. Syngas conversion to lower alcohol is an environmental friendly and efficient way to use coal resources. Mo-based catalysts represent a group of very promising catalysts for their good performance in lower alcohol synthesis and high resistance to sulfur. Among these catalysts, MoP has very good activity in CO hydrogenation and a high selectivity to C2+ oxygenates. However, the low stability and formation of other undesired by-products hinded the industrial application of this catalyst. Therefore, this project is to systematically explore the reaction mechanisms of CO hydrogenation into alcohols on MoP catalyst by using theoretical computations. Our goals are to reveal the stable surface compositions of this material; the detailed CO hydrogenation mechanisms on the surfaces as well as the effects of promoters (such as Li, K and Rh) on their stability, activity and ethanol selectivity. We hope to find the solutions to improve the stability and selectivity of MoP and finally improve the properties of MoP to be a suitable catalyst for industrial applications.

利用煤炭、天然气及生物质制备清洁燃料和高附加值化学品是当今社会能源发展新路线。由合成气制取低碳醇是洁净高效利用煤炭资源的最佳途径之一。钼基催化剂因其良好的抗硫性能和低碳醇选择性而被视为很有前景的低碳醇催化剂体系之一。其中MoP催化剂拥有良好的CO加氢性能及较高的C2+含氧产物选择性，但该催化剂的稳定性较差，乙醇之外的其他含氧产物比例相对较高，这都限制了该催化剂的工业应用。因此，本项目拟采用密度泛函理论（DFT）系统研究MoP催化剂合成气转化制备低碳醇的相关机理，考察该催化剂材料的稳定表面组成，表面反应机理以及金属助剂（如Li、K、Rh等）对催化剂表面的稳定化作用，金属助剂对醇类选择性尤其是乙醇生成机理的影响，寻找能提高催化剂稳定性与选择性的金属助剂改性方法，从而辅助实验对MoP催化剂进行合理的设计，以适应工业催化剂的需求。

利用煤炭、天然气及生物质资源转化制合成气，再由合成气制备清洁燃料和其他高附加值的化学品是当今社会新的能源发展路线之一。其中由合成气制备低碳混合醇是洁净高效利用煤炭资源的有效途径，而钼基催化剂被视为很有前景的低碳醇催化剂体系之一，其操作条件相对温和，并具有独特的抗硫性，可避免耗资巨大的深度脱硫，降低经济成本。基于此本项目以合成气转化为背景，采用密度泛函理论（DFT）计算的方法，系统研究了MoP催化剂合成气转化制备低碳醇的相关机理。主要内容包括MoP催化剂的结构及其在实验条件下的形貌和稳定性，不同压力和温度条件下CO、H2在MoP催化剂表面的吸附情况以及共吸附时的稳定表面组成，合成气转化过程中相关物种在催化剂表面的吸附和活化，以及生成CH4，CH3OH和C2H5OH的反应机理。该研究不仅可以为深入理解MoP催化剂表面合成气转化的机理提供理论依据，而且可以对新型催化剂的设计以及反应条件的调控提供理论参考。