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《山西大学》 2010年
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瓦斯爆炸及催化氧化的机理研究

胡婷婷  
【摘要】: 第一章:简要介绍了瓦斯的概念和性质,综述了瓦斯爆炸及其被过渡金属催化氧化的机理及研究进展。 第二章:阐明了瓦斯爆炸反应机理并对瓦斯爆炸过程进行了热力学分析,运用不可逆过程热力学参数推导出了瓦斯爆炸极限的热力学公式,并利用此公式分析了爆炸极限的各种影响因素。运用热力学第一定律预测了瓦斯爆炸的危害性。以甲烷为实例计算其一定条件下的爆炸极限并与文献值进行对比,下限相对偏差为0-6.1%,上限相对偏差-1.9%-11%。最后结合各影响因素建立了瓦斯爆炸的化学热力学预警体系,旨在为瓦斯防治工作提供较全面的理论依据。 第三章:采用多参考态从头算方法CASPT2系统地研究了甲烷和氢气被氧气氧化的夺氢反应机理。经过反应势能曲线,几何结构和电子构型的研究表明CH4+02和H2+02两体系的夺氢反应机理相似。氧气可能以两种形式参与反应:三重态3∑g-和第一电子激发单重态1△g。体系在CS对称性下,单重态1△g会分裂为两种形式1△g-和1△g+,则有三种夺氢反应路径,对应的电子态分别为3A″,1A″和1A′。3A″和1A″反应路径相似,都经过过渡态和范德华态,最终产物相同,但是1A″的反应位垒要低于3A″的反应位垒,表明在富含单重态O2的情况下,1A″反应路径是重要的。对于1A″和1A′反应路径,虽然反应物能量相同,但1A′却直接解离生成产物。 第四章:运用密度泛函方法研究了Pd、Pt、Ag三种过渡金属原子催化活化甲烷C-H键的机理,主要从反应势能曲线上相关的中间体和过渡态,及相应的能量变化情况,反应速率常数等角度进行研究。Pd和Pt活化甲烷C-H键过程相似,即在反应开始时先生成原子-分子复合物,再经过各自的过渡态生成产物。但能量上差别较大,Pd催化活化CH4所需的活化能约为13.4 kcal/mol,整个反应需要吸收的能量约为8.6 kcal/mol;而Pt原子是以三重态(d9s1,3D3)和单重态(d10,1S0)两种低能态形式参与反应,两势能曲线于Pt-C距离2.685A处相交,交点即过渡态,此反应所需的活化能约为3.6 kcal/mol,反应放出能量约为34.4 kcal/mol。Ag原子活化甲烷C-H键可能有两种反应历程,由速率常数推测Ag原子夺取CH4分子上的H原子直接解离生成CH3和AgH的可能性大,反应需要吸收52.1 kcal/mol的能量。从以上反应的活化能、焓变和速率常数可对比得出三种原子的催化性能强弱为PtPdAg。从而为寻找优质、高效的催化剂提供了一定的理论指导。
【学位授予单位】:山西大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O643.22

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