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分子筛催化理论计算：从基础到应用
作者：郑安民 等
出版社：科学出版社
出版时间：2020-01-01
ISBN：9787030636195
定价：¥138.00
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内容简介
分子筛催化剂在现代石油化工生产和环境治理领域有着广泛的应用，新型高效催化剂的设计依赖于活性中心结构和反应性能的构效关系的揭示。理论计算化学作为实验科学的一种补充研究手段，能够在原子分子尺度确定分子筛催化剂的骨架结构、活性中心种类、反应物种在孔道中的扩散和反应机理，从而有助于更全面、更深入地理解分子筛催化的本质。《分子筛催化理论计算：从基础到应用》在分别介绍分子筛催化实验和理论计算化学基本原理的基础上，以解决实验对应的难题为驱动，阐述了如何利用密度泛函理论、分子动力学与蒙特卡罗模拟与计算来确定分子筛催化中的微观结构，并揭示反应机制的策略，对分子筛催化过程中“活性中心结构-催化性能”这一关键科学问题和重要前沿研究方向进行了深入探索和讨论。
作者简介
暂缺《分子筛催化理论计算：从基础到应用》作者简介
目录
目录
序
前言
第1章 分子筛简介 1
1.1 分子筛的发展历史及现状 1
1.2 分子筛的结构 2
1.2.1 分子筛的结构单元 2
1.2.2 分子筛的组成 4
1.2.3 分子筛的骨架结构 6
1.3 分子筛的合成 7
1.3.1 经典的水热合成法 7
1.3.2 溶剂热合成法 8
1.3.3 干胶转化法 8
1.3.4 离子热合成法 9
1.3.5 合成分子筛的绿色路线 10
1.3.6 微波合成法 13
1.4 分子筛的表征手段 13
1.4.1 X射线衍射 13
1.4.2 吸附分析 13
1.4.3 核磁共振技术 14
1.4.4 电子显微镜技术 15
1.4.5 光谱表征 15
1.5 分子筛的应用 15
1.5.1 石油化工 16
1.5.2 煤化工 16
1.5.3 生物质转化 18
1.5.4 环境保护 19
1.6 展望 22
参考文献 23
第2章 分子筛理论计算方法概述 29
2.1 密度泛函理论 29
2.1.1 Thomas-Fermi模型 31
2.1.2 Hohenberg-Kohn定理 31
2.1.3 Kohn-Sham方程 32
2.1.4 交换相关能 33
2.1.5 色散作用 36
2.2 分子动力学方法 37
2.2.1 分子动力学概念 38
2.2.2 分子动力学程序编写 39
2.2.3 运动方程 42
2.3 蒙特卡罗方法 43
2.3.1 蒙特卡罗原理 43
2.3.2 基本蒙特卡罗算法 46
2.3.3 模拟过程 49
2.3.4 蒙特卡罗的缺点 54
2.4 多尺度组合方法在分子筛中的应用 54
2.5 从头算分子动力学在分子筛中的应用 58
2.5.1 引言 58
2.5.2 AIMD研究分子筛内的吸附和物种稳定性 59
2.5.3 AIMD研究分子筛内的催化反应机理 61
2.6 展望 63
参考文献 64
第3章 分子筛的形成机理理论研究 68
3.1 能量最小化和OSDA分布 69
3.2 分子筛-有机结构模板剂作用能 70
3.3 OSDA对分子筛中铝和质子分布的影响 72
3.4 同一OSDA导向合成出不同的分子筛 73
3.5 OSDA柔性对分子筛结构导向的影响 73
3.6 分子模拟用于合成特定分子筛结构的OSDA的筛选 75
3.7 分子筛形成机理的理论研究 78
3.7.1 硅铝团簇的结构类型及其形成机理 79
3.7.2 阴离子机理和中性机理 81
3.7.3 离子对分子筛形成机理的影响 84
3.8 硅铝分子筛的形成机理 85
3.9 OSDA在合成分子筛过程中的相互作用 87
3.10 展望 90
参考文献 91
第4章 沸石分子筛中铝原子分布的理论计算研究 93
4.1 密度泛函理论计算研究分子筛骨架铝原子分布 93
4.2 分子力学理论计算研究分子筛骨架铝原子分布 95
4.3 蒙特卡罗模拟研究分子筛骨架铝原子分布 102
4.4 从27Al化学位移研究分子筛骨架铝原子分布 104
4.4.1 高硅分子筛骨架中孤立铝原子的分布 105
4.4.2 27Al化学位移与其局域结构的关系 107
4.4.3 分子筛骨架邻近铝原子及空位对27Al化学位移的影响 108
4.5 展望 112
参考文献 112
第5章 分子筛酸碱特性的理论计算研究 116
5.1 分子筛的酸性 116
5.1.1 分子筛酸性的起源 116
5.1.2 分子筛酸位的稳定性与可接近性 116
5.1.3 分子筛酸性中心的衍变 121
5.1.4 分子筛酸性的表征 130
5.2 分子筛的碱性 142
5.2.1 分子筛碱性的来源 142
5.2.2 分子筛碱性的表征 143
5.3 展望 149
参考文献 149
第6章 分子筛择形催化中的理论计算研究 154
6.1 择形催化原理 154
6.1.1 择形催化简介 154
6.1.2 择形催化类型 154
6.1.3 择形催化作用机制 157
6.2 择形催化研究进展 158
6.2.1 择形催化的应用领域 158
6.2.2 在择形催化中引入理论计算 161
6.3 理论计算研究在分子筛择形催化反应中的应用 161
6.3.1 芳烃烷基化 161
6.3.2 芳烃歧化 167
6.3.3 芳烃异构化 177
6.3.4 甲醇转化制烯烃 181
6.3.5 其他 190
6.4 展望 191
参考文献 191
第7章 酸强度与孔道限域效应对催化反应活性的影响 197
7.1 酸强度与反应活性之间的关系 198
7.1.1 酸强度对烷烃活化的影响 198
7.1.2 酸强度对烯烃质子化的影响 200
7.1.3 酸强度对烯烃聚合反应的影响 204
7.1.4 酸强度对贝克曼重排反应的影响 207
7.1.5 酸强度对醇类反应的影响 210
7.2 分子筛孔道限域效应对反应活性的影响 211
7.2.1 芳香基团的反应 213
7.2.2 烯烃的反应 216
7.2.3 烷烃的活化反应 223
7.2.4 羰基化反应 225
7.2.5 贝克曼重排反应 226
7.2.6 丙酮的异构化反应 229
7.3 展望 230
参考文献 230
第8章 分子筛催化生物质转化机理研究 237
8.1 引言 237
8.2 酸催化过程 239
8.2.1 Br？nsted酸催化 240
8.2.2 Lewis酸催化 245
8.3 活性位结构和吸附 250
8.3.1 活性位结构 250
8.3.2 吸附构型 254
8.4 葡萄糖异构化反应的机理研究 257
8.4.1 生成果糖 257
8.4.2 生成甘露糖 261
8.5 展望 265
参考文献 267
第9章 Cu改性分子筛催化甲烷部分氧化反应机理 274
9.1 Cu-ZSM-5分子筛对甲烷部分氧化为甲醇的催化性能 275
9.1.1 Cu-ZSM-5分子筛的活性中心 275
9.1.2 [Cu-O-Cu]2+活性中心 277
9.1.3 [Cu3(μ-O)3]2+活性中心 277
9.2 Cu-ZSM-5分子筛催化活化甲烷的反应机理 278
9.3 [CuOM]2+-ZSM-5（M = Cu、Zn、Ag）分子筛催化活化甲烷的反应机理 283
9.3.1 CuOM-ZSM-5（M = Cu、Zn、Ag）分子筛活性中心结构 283
9.3.2 CuOM（M = Cu、Zn、Ag）分子筛催化活化甲烷的反应机理 284
9.4 Cu-MOR分子筛催化活化甲烷的反应机理 286
9.4.1 Cu-MOR分子筛的活性中心 286
9.4.2 [CuOCu]2+分子筛催化活化甲烷的反应机理 287
9.4.3 [Cu3O3]2+分子筛催化活化甲烷的反应机理 288
9.4.4 Cu-MOR分子筛活性中心的位置对反应性能的影响 289
9.5 展望 291
参考文献 291
第10章 分子筛限域空间内吸附和扩散机制的理论研究 296
10.1 引言 296
10.2 分子筛力场描述 298
10.2.1 分子筛通用力场介绍 299
10.2.2 分子筛特定力场介绍 300
10.3 分子筛中吸附研究 303
10.3.1 CH4和CO2等气体的吸附行为 303
10.3.2 碳氢化合物的吸附行为 304
10.4 分子筛中扩散研究 308
10.4.1 分子筛中扩散行为 309
10.4.2 影响分子筛内扩散的因素 310
10.4.3 分子筛中反常的扩散现象 318
10.4.4 扩散对催化反应性能的影响 320
10.5 分子筛内甲醇制烯烃双循环机制中扩散行为的理论研究 323
10.5.1 反应物和产物的扩散行为 325
10.5.2 芳香烃机制中的扩散行为 327
10.5.3 烯烃机制中的扩散行为 328
10.5.4 工业条件下的扩散行为 330
10.6 展望 333
参考文献 334
序
前言
第1章 分子筛简介 1
1.1 分子筛的发展历史及现状 1
1.2 分子筛的结构 2
1.2.1 分子筛的结构单元 2
1.2.2 分子筛的组成 4
1.2.3 分子筛的骨架结构 6
1.3 分子筛的合成 7
1.3.1 经典的水热合成法 7
1.3.2 溶剂热合成法 8
1.3.3 干胶转化法 8
1.3.4 离子热合成法 9
1.3.5 合成分子筛的绿色路线 10
1.3.6 微波合成法 13
1.4 分子筛的表征手段 13
1.4.1 X射线衍射 13
1.4.2 吸附分析 13
1.4.3 核磁共振技术 14
1.4.4 电子显微镜技术 15
1.4.5 光谱表征 15
1.5 分子筛的应用 15
1.5.1 石油化工 16
1.5.2 煤化工 16
1.5.3 生物质转化 18
1.5.4 环境保护 19
1.6 展望 22
参考文献 23
第2章 分子筛理论计算方法概述 29
2.1 密度泛函理论 29
2.1.1 Thomas-Fermi模型 31
2.1.2 Hohenberg-Kohn定理 31
2.1.3 Kohn-Sham方程 32
2.1.4 交换相关能 33
2.1.5 色散作用 36
2.2 分子动力学方法 37
2.2.1 分子动力学概念 38
2.2.2 分子动力学程序编写 39
2.2.3 运动方程 42
2.3 蒙特卡罗方法 43
2.3.1 蒙特卡罗原理 43
2.3.2 基本蒙特卡罗算法 46
2.3.3 模拟过程 49
2.3.4 蒙特卡罗的缺点 54
2.4 多尺度组合方法在分子筛中的应用 54
2.5 从头算分子动力学在分子筛中的应用 58
2.5.1 引言 58
2.5.2 AIMD研究分子筛内的吸附和物种稳定性 59
2.5.3 AIMD研究分子筛内的催化反应机理 61
2.6 展望 63
参考文献 64
第3章 分子筛的形成机理理论研究 68
3.1 能量最小化和OSDA分布 69
3.2 分子筛-有机结构模板剂作用能 70
3.3 OSDA对分子筛中铝和质子分布的影响 72
3.4 同一OSDA导向合成出不同的分子筛 73
3.5 OSDA柔性对分子筛结构导向的影响 73
3.6 分子模拟用于合成特定分子筛结构的OSDA的筛选 75
3.7 分子筛形成机理的理论研究 78
3.7.1 硅铝团簇的结构类型及其形成机理 79
3.7.2 阴离子机理和中性机理 81
3.7.3 离子对分子筛形成机理的影响 84
3.8 硅铝分子筛的形成机理 85
3.9 OSDA在合成分子筛过程中的相互作用 87
3.10 展望 90
参考文献 91
第4章 沸石分子筛中铝原子分布的理论计算研究 93
4.1 密度泛函理论计算研究分子筛骨架铝原子分布 93
4.2 分子力学理论计算研究分子筛骨架铝原子分布 95
4.3 蒙特卡罗模拟研究分子筛骨架铝原子分布 102
4.4 从27Al化学位移研究分子筛骨架铝原子分布 104
4.4.1 高硅分子筛骨架中孤立铝原子的分布 105
4.4.2 27Al化学位移与其局域结构的关系 107
4.4.3 分子筛骨架邻近铝原子及空位对27Al化学位移的影响 108
4.5 展望 112
参考文献 112
第5章 分子筛酸碱特性的理论计算研究 116
5.1 分子筛的酸性 116
5.1.1 分子筛酸性的起源 116
5.1.2 分子筛酸位的稳定性与可接近性 116
5.1.3 分子筛酸性中心的衍变 121
5.1.4 分子筛酸性的表征 130
5.2 分子筛的碱性 142
5.2.1 分子筛碱性的来源 142
5.2.2 分子筛碱性的表征 143
5.3 展望 149
参考文献 149
第6章 分子筛择形催化中的理论计算研究 154
6.1 择形催化原理 154
6.1.1 择形催化简介 154
6.1.2 择形催化类型 154
6.1.3 择形催化作用机制 157
6.2 择形催化研究进展 158
6.2.1 择形催化的应用领域 158
6.2.2 在择形催化中引入理论计算 161
6.3 理论计算研究在分子筛择形催化反应中的应用 161
6.3.1 芳烃烷基化 161
6.3.2 芳烃歧化 167
6.3.3 芳烃异构化 177
6.3.4 甲醇转化制烯烃 181
6.3.5 其他 190
6.4 展望 191
参考文献 191
第7章 酸强度与孔道限域效应对催化反应活性的影响 197
7.1 酸强度与反应活性之间的关系 198
7.1.1 酸强度对烷烃活化的影响 198
7.1.2 酸强度对烯烃质子化的影响 200
7.1.3 酸强度对烯烃聚合反应的影响 204
7.1.4 酸强度对贝克曼重排反应的影响 207
7.1.5 酸强度对醇类反应的影响 210
7.2 分子筛孔道限域效应对反应活性的影响 211
7.2.1 芳香基团的反应 213
7.2.2 烯烃的反应 216
7.2.3 烷烃的活化反应 223
7.2.4 羰基化反应 225
7.2.5 贝克曼重排反应 226
7.2.6 丙酮的异构化反应 229
7.3 展望 230
参考文献 230
第8章 分子筛催化生物质转化机理研究 237
8.1 引言 237
8.2 酸催化过程 239
8.2.1 Br？nsted酸催化 240
8.2.2 Lewis酸催化 245
8.3 活性位结构和吸附 250
8.3.1 活性位结构 250
8.3.2 吸附构型 254
8.4 葡萄糖异构化反应的机理研究 257
8.4.1 生成果糖 257
8.4.2 生成甘露糖 261
8.5 展望 265
参考文献 267
第9章 Cu改性分子筛催化甲烷部分氧化反应机理 274
9.1 Cu-ZSM-5分子筛对甲烷部分氧化为甲醇的催化性能 275
9.1.1 Cu-ZSM-5分子筛的活性中心 275
9.1.2 [Cu-O-Cu]2+活性中心 277
9.1.3 [Cu3(μ-O)3]2+活性中心 277
9.2 Cu-ZSM-5分子筛催化活化甲烷的反应机理 278
9.3 [CuOM]2+-ZSM-5（M = Cu、Zn、Ag）分子筛催化活化甲烷的反应机理 283
9.3.1 CuOM-ZSM-5（M = Cu、Zn、Ag）分子筛活性中心结构 283
9.3.2 CuOM（M = Cu、Zn、Ag）分子筛催化活化甲烷的反应机理 284
9.4 Cu-MOR分子筛催化活化甲烷的反应机理 286
9.4.1 Cu-MOR分子筛的活性中心 286
9.4.2 [CuOCu]2+分子筛催化活化甲烷的反应机理 287
9.4.3 [Cu3O3]2+分子筛催化活化甲烷的反应机理 288
9.4.4 Cu-MOR分子筛活性中心的位置对反应性能的影响 289
9.5 展望 291
参考文献 291
第10章 分子筛限域空间内吸附和扩散机制的理论研究 296
10.1 引言 296
10.2 分子筛力场描述 298
10.2.1 分子筛通用力场介绍 299
10.2.2 分子筛特定力场介绍 300
10.3 分子筛中吸附研究 303
10.3.1 CH4和CO2等气体的吸附行为 303
10.3.2 碳氢化合物的吸附行为 304
10.4 分子筛中扩散研究 308
10.4.1 分子筛中扩散行为 309
10.4.2 影响分子筛内扩散的因素 310
10.4.3 分子筛中反常的扩散现象 318
10.4.4 扩散对催化反应性能的影响 320
10.5 分子筛内甲醇制烯烃双循环机制中扩散行为的理论研究 323
10.5.1 反应物和产物的扩散行为 325
10.5.2 芳香烃机制中的扩散行为 327
10.5.3 烯烃机制中的扩散行为 328
10.5.4 工业条件下的扩散行为 330
10.6 展望 333
参考文献 334
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