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Elucidating structure-performance correlations in gas-phase selective ethanol oxidation and CO oxidation over metal-dopedγ-MnO2

金属掺杂γ-MnO2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系
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摘要 Despite of considerable efforts on the MnO2-based catalytic combustion,the different structural and component requirements of MnO2 for gas-phase selective oxidation and complete oxidation largely remain unknown.By comparing four types of MnO2 with different crystal structures(α,β,γandδ),γ-MnO2 was found to be the most efficient catalyst for both aerobic selective oxidation of ethanol and CO oxidation.The structural effect ofγ-MnO2 was further investigated by doping metal ions into the framework and by comparing the catalytic performance in the gas-phase aerobic oxidation of CO and ethanol.Among ten M-γ-MnO2 catalysts,Zn-γ-MnO2 showed the lowest temperature(160°C)for achieving 90%CO conversion.The CO oxidation activity of the M-γ-MnO2 catalysts was found to be more relevant to the surface acidity-basicity than the reducibility.In contrast,surface reducibility has been demonstrated to be more crucial in the gas-phase ethanol oxidation.Cu-γ-MnO2 with higher reducibility and more oxygen vacancies of Mn^2+/Mn^3+species exhibited higher catalytic activity in the selective ethanol oxidation.Cu-γ-MnO2 achieved the highest acetaldehyde yield(75%)and space-time-yield(5.4 g gcat^-1 h^-1)at 200°C,which are even comparable to the results obtained by the state-of-the-art silver and gold-containing catalysts.Characterization results and kinetic studies further suggest that the CO oxidation follows the lattice oxygen-based Mars-van Krevelen mechanism,whereas both surface lattice oxygen and adsorbed oxygen species involve in the ethanol activation. 二氧化锰(MnO2)因具有制备简单、Mn^4+/Mn^3+/Mn^2+混合的金属价态、可调变的晶型结构(如α,β,γ,δ等)、丰富的表面氧缺陷和活泼的晶格氧等特点,在多相催化领域被广泛用作需氧氧化催化剂.MnO2催化气相氧化主要集中在催化燃烧或完全氧化,催化性能最佳的MnO2晶型因反应底物不同会有所差异.由于其氧化催化活性较高、选择性难于控制, MnO2这类结构丰富、价廉易得的催化剂在气相选择氧化制高附加值化学品中面临着机遇和挑战.乙醇气相选择氧化制乙醛符合绿色和可持续性化学工业的发展需求,被认为是替代传统高污染、高成本的乙烯瓦克氧化工艺的最佳选择.MnO2在催化乙醇燃烧中应用广泛,不同晶型MnO2中α-MnO2的活性最高.我们已经报道了非变价金属离子掺杂α-MnO2 (M-OMS-2),特别是具有最强表面碱性和可还原性的Na-OMS-2在乙醇气相选择氧化中获得了高达66%的乙醛产率和与贵金属催化剂相接近的催化效率.然而,不同晶型MnO2对乙醇气相选择氧化催化性能的影响,以及选择氧化和完全氧化所需的MnO2晶型和结构性质是否一致尚不清楚.这些问题的阐明无疑能够指导更高性能MnO2选择氧化催化剂的设计合成.本文首先制备了四种晶型(α,β,γ,δ)MnO2,并将其应用于气相乙醇选择氧化和CO氧化,惊喜地发现γ-MnO2在这两类反应中均表现出最高的催化活性,这与之前报道的乙醇催化燃烧和CO氧化结果明显不同,证明了MnO2的晶型结构和反应条件对其催化氧化性能有重要影响.为了深入研究γ-MnO2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系,通过一锅水热法制备了金属掺杂的M-γ-MnO2 (M=Cu^2+, Zn^2+, Mg^2+, Co^2+, Ni^2+, Ca^2+, Al^3+, Fe^3+, La^3+).采用多种表征手段证明了金属掺杂能够有效地调变γ-MnO2的结构组成、表面酸碱性和可还原性.制得的M-γ-MnO2催化剂在CO和乙醇氧化中显示出不同的活性顺序,发现CO氧化中催化剂的酸碱性更加重要.具有最高表面碱性/酸性位点摩尔比的Zn-γ-MnO2在CO氧化中活性最佳,其表面锰物种和氧物种的氧化态在反应前后基本不变,表明M-γ-MnO2上的CO氧化遵循基于晶格氧的Mars-vanKrevelen机理.与之不同的是,催化剂的可还原性是影响乙醇气相选择氧化性能的更主要因素.具有最高表面可还原性的Cu-γ-MnO2于200°C获得了最高75%的乙醛产率和较好的催化稳定性,这归因于其在较低温度下存在更多的Mn^2+/Mn^3+缺陷位和氧空位,这有利于O2和乙醇的低温活化.进一步的动力学研究表明, O2和乙醇浓度对反应速率影响不大,而空速的增大能够大幅度提高乙醛的时空收率.同位素效应证明醇羟基断裂仍然是反应的速控步骤,因此表面晶格氧和吸附氧物种均参与了乙醇活化.
作者 Panpan Wang Jiahao Duan Jie Wang Fuming Mei Peng Liu 王盼盼;段嘉豪;王杰;梅付名;刘鹏(华中科技大学化学与化工学院,能量转换与存储材料化学教育部重点实验室,材料化学与服役失效湖北省重点实验室,湖北武汉430074)
出处 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1298-1310,共13页 催化学报(英文)
基金 国家自然科学基金(21673088,21972050).
关键词 MNO2 Metal doping Ethanol oxidation ACETALDEHYDE Catalytic CO oxidation 二氧化锰 金属掺杂 乙醇氧化 乙醛 CO催化氧化
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