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应用催化技术使乙烷直接选择氧化生成醛类含氧化合物是低碳烷烃有效利用研究中的巨大挑战之一。本文采用量子化学方法计算研究了可用于乙烷选择氧化反应的SiO2担载钒氧化物以及碱金属修饰SiO2担载钒氧化物催化剂的分子结构,并初步探讨了乙烷在SiO2担载钒氧化物上的催化反应机理。 采用密度泛涵B3LYP方法以6-31G基组全优化计算得到SiO2担载钒氧化物催化剂模型的几何结构、红外光谱、原子净电荷以及前线分子轨道等结果。发现SiO2担载的钒氧化物结构单元经优化后其几何构型具有很好的对称性,理论计算的红外频率也与实验值较好的吻合。 采用密度泛涵B3LYP以6-31G基组和赝势方法全优化计算得到碱金属修饰SiO2担载钒氧化物催化剂的几何结构、原子净电荷、前线分子轨道以及结合能等结果。计算中碱金属分别采用离子(带一个单位正电荷)和原子(电中性)进行优化,对比优化结果以考察合理的计算模型。计算发现碱金属采用原子模型计算得到的几何结构数据与实验值较好的吻合。碱金属原子在VO4侧面稳定存在,与V=O双键及V-O单键均发生相互作用,改变了V=O双键以及V-O单键键长。 初步计算研究了乙烷在SiO2担载钒氧化物催化剂模型上催化反应的机理。发现SiO2担载钒氧化物催化剂VO4中的顶氧(V=O双键上的氧)具有较高的反应活性,其直接参与氧化反应。模拟计算结果解释了乙醇、乙醛、乙酸以及水分子的形成过程并实现了催化剂上活性氧的循环。