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本文采用了量子化学方法计算研究了ZSM-5型分子筛以及不同硅铝比分子筛的结构性质和酸性。计算的质子亲和能和LUMO分子轨道能量都一致地反映出随Si/Al比较小,ZSM-5型分子筛的总酸强度增加。
计算得到吡啶和甲基吡啶的净电荷,发现2-甲基吡啶、4-甲基吡啶和毗啶N原子的负电荷分别为-0.4149e、-0.3922e和-01429e。据此预测其碱性大小顺序为:2-甲基吡啶>4-甲基吡啶>吡啶。计算得到吡啶、2-甲基吡啶和4-甲基吡啶与ZSM-5型分子筛B酸位化学吸附作用能分别为-126.02kJ/mol、-149.65kJ/mol和-131.27kJ/mol。据此推测吡啶、2-甲基吡啶和4.甲基吡啶对ZSM.5型分子筛B酸中心的毒性大小顺序为:2.甲基吡啶>4-甲基吡啶>吡啶。
计算研究ZSM.5型分子筛催化正丁烷裂化反应机理发现,正丁烷可发生C<,1>--C<,2>间断裂(机理Ⅰ)和C<,2>-C<,3>间断裂(机理Ⅱ)两种裂化反应机理。每种机理具体裂化过程按四步完成:第一步是正丁烷与分子筛形成吸附态。第二步是分子筛B酸原子与C原子形成碳正鎓离子过渡态。第三步是碳正鎓离C<,2>原子上H原子转移到分子筛骨架氧原子上,同时C-C键发生异裂生成C正离子和C负离子。第四步是C负离子夺取B酸的H质子生成烷烃,而C正离子是H质子转移到分子筛L碱上形成烯烃。
计算机理I在4T簇模型和34T簇模型中的反应活化能分别为78.76kJ/mol和105.21kJ/mol。考虑分子筛孔道下的催化反应活化能更接近实验值135kJ/mol。