Co-YPO_(4)双功能催化剂促进乙醇高值转化制丁二烯

丁二烯是重要的化工原料,主要用于生产树脂、合成橡胶、丁二醇和己二腈等大宗化学品,还可以用于制备蒽醌、四氢苯酐等精细化学品.目前,工业上制备丁二烯的方法主要是乙烯副产抽提法.近年来,随着生物乙醇技术大力发展,催化乙醇制丁二烯成为很有吸引力的生产丁二烯的路线之一.目前催化乙醇制丁二烯的催化剂种类较多,合理设计具有活性位点结构和功能的催化新材料是提升催化剂活性的关键.稀土金属元素如Y,La和Ce等具有独特的电子层结构,并且具有中等强度的Lewis酸性,本文尝试将稀土磷酸盐与具有乙醇脱氢活性的过渡金属位点结合起来,设计过渡金属改性的稀土磷酸盐催化剂并用于乙醇转化制丁二烯.本文开发了Co-YPO_(4)双功能催化剂,应用于乙醇转化制丁二烯反应,所制材料表现出较高的催化活性与稳定性.在YPO4催化剂上,乙醇主要发生脱水反应,生成大量的乙烯和乙醚,且丁二烯选择性不超过5%;而在Co-YPO_(4)催化剂上,乙醇转化产物分布出现明显改变,丁二烯选择性增加.在乙醇重时空速和反应温度分别为1.0 gC2H5OH×gCat.‒1×h^(‒1)和350℃的条件下,乙醇转化率为78.2%,丁二烯选择性为68.5%.原位紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱以及H_(2)^(-)程序升温还原表征结果表明,Co2+中心与PO_(4)^(3‒)基团存在强的配位相互作用,形成稳定且高度分散的[Co-O-P]物种.通过NH_(3)^(-)程序升温脱附(TPD)和吡啶探针分子吸附红外对YPO4和Co-YPO4进行酸性表征,结果表明,YPO_(4)和Co-YPO4表面均是典型的Lewis酸性位点;结合CO_(2)-TPD表征发现,Co^(2+)与YPO4表面部分Y3+位点发生置换,即引入适量的Co会减弱酸性同时增强表面碱性.进一步通过停留时间、乙醇程序升温表面反应和原位乙醇吸附反应漫反射红外光谱测试对反应机理进行详细研究.结果表明,乙醇首先在Co^(2+)位发生脱氢生成乙醛和H_(2),随后乙醛迁移至Y^(3+)位点吸附活化,两分子乙醛依次发生C‒C偶联、加氢以及脱水反应生成丁二烯.动力学测试结果表明,乙醇脱氢是整个反应过程的关键步骤,整体反应路径如下:乙醇→乙醛→丁烯醛→丁烯醇→丁二烯.综上所述,以乙醇作为平台分子合成丁二烯能够丰富可持续发展的新能源结构体系.本文揭示了磷酸根基团通过配位作用稳定Co^(2+)物种,Co^(2+)和Y^(3+)位点协同催化乙醇选择性生成丁二烯,为乙醇高值转化催化剂设计提供了新思路.

造核-包衣法制备Al_(2)O_(3)小球及其在丙烷直接脱氢反应中的应用研究

氧化铝(Al_(2)O_(3))载体是应用最广泛的催化剂的核心材料之一,而球形Al_(2)O_(3)载体取代条形Al_(2)O_(3)载体已成为大趋势,因此亟需发展绿色可行的制备球形Al_(2)O_(3)载体新方法。首先对滚球法进行了优化,以拟薄水铝石粉体为原料,硝酸为胶溶剂,羟丙基甲基纤维素为粘结剂,采用造核-包衣法制备了球形度好、强度高且比表面积大的Al_(2)O_(3)小球。结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征手段考察了水粉比(质量比)、酸粉比(质量比)、粘结剂含量(质量分数)和抛丸时间对Al_(2)O_(3)小球的强度和孔结构的影响。结果表明,控制酸粉比为0.050、水粉比为0.88、粘结剂含量为3%(质量分数)和每次抛丸时间为5 min,能够制备出粒径均匀、成品率高且强度高达43.0 N的Al_(2)O_(3)小球。在此基础上,制备了球形和粉末PtSn/Al_(2)O_(3)催化剂,并在温度为618℃、H_(2)和C_(3)H_(8)流量分别为3.6 mL/min和6.0 mL/min的条件下应用于丙烷直接脱氢反应,发现球形PtSn/Al_(2)O_(3)催化剂表现出与粉末PtSn/Al_(2)O_(3)催化剂接近的反应活性和选择性。造核-包衣法是一种绿色高效的制备球形Al_(2)O_(3)载体的方法,可为球形Al_(2)O_(3)载体国产化提供新的思路。

棒状多孔氧化铝负载氧化铬催化丙烷脱氢反应性能（英文）

丙烯是一种重要的化工原料,目前工业上主要来自石脑油、轻质油以及其他石油副产物的蒸汽裂解和催化裂解.这些过程能耗巨大,碳排放严重.丙烷直接脱氢制丙烯原料利用率高,副产物少,是一条更加经济环保的丙烯生产路线.Cr_2O_3-Al_2O_3催化剂因其出色的性能和低廉的价格已在工业中应用,但氧化铝表面酸位点易催化副反应及积碳的形成,从而造成催化剂失活.因此,调控载体氧化铝结构具有重要的意义.氧化铝的结构性质取决于合成条件以及焙烧过程表面羟基和水分的逐步脱除.我们课题组通过水热法合成了一系列表面粗糙的棒状氧化铝和富含五配位铝离子的片状氧化铝,以这些氧化铝为载体制备的负载型贵金属催化剂在催化反应中表现出优异的活性和稳定性.本文在前期工作基础上研究了不同焙烧温度对棒状氧化铝表面结构的影响,采用X射线衍射(XRD)、氮吸附、电镜(SEM/TEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段表征了氧化铝结构,并探究了其对负载氧化铬催化剂上丙烷脱氢反应的影响.XRD结果表明,低温焙烧所得主要为γ相氧化铝,提高焙烧温度至900oC时出现δ相氧化铝.氧化铝氮气吸附-脱附表现出IV型等温线,随焙烧温度升高,介孔结构保持,但比表面积和孔体积呈减小趋势.电镜观察显示氧化铝为棒状结构,表面粗糙.NH_3-TPD结果表明自制氧化铝酸量低于商业氧化铝,且随焙烧温度升高酸量下降.以上结果表明焙烧温度在氧化铝性质调控过程中起重要作用.以不同焙烧温度下制得的氧化铝等体积浸渍氧化铬制得氧化铬催化剂.丙烷脱氢反应结果表明,催化剂表现出优异的稳定性和再生性能.氮吸附等温线表明新鲜催化剂为介孔结构,这有利于反应物接触活性位点,并提供抗积碳阻塞能力.对比氧化铝负载氧化铬前后的电镜照片可知,催化剂表面粗糙度降低,说明活性组分均匀分散于氧化铝粗糙表面;反应前后催化剂形貌保持不变,催化剂在反应中表现出优异的结构稳定性.UV-Vis和H_2-TPR结果表明,自制氧化铝和参比氧化铝表面的铬物种以相似配位状态存在,但铬物种在自制氧化铝表面更难还原,表现出更强的金属与载体相互作用.NH_3-TPD结果表明,自制催化剂表面酸量(64μmol NH_3 g^(–1))远低于参比催化剂(140μmol NH_3 g^(–1)).热重分析证实反应后自制催化剂积碳量明显低于参比催化剂.自制棒状氧化铝作为载体制备的氧化铬低酸催化剂可抑制积碳形成,提高丙烯选择性,在丙烷脱氢反应中表现出优异的活性和抗积碳能力.

非金属有序大孔磷酸硼晶体合成及催化丙烷氧化脱氢反应性能

有序大孔材料具有大的比表面积和有序开放的立体孔道结构,有利于暴露更多的活性位点,促进传质扩散,从而提高催化活性.目前,已有报道的有序大孔材料包括金属及氧化物、氧化硅、炭、聚合物等.非金属含氧化合物具有耐氧化的结构特点,适合应用于高温氧化反应,但是体相非金属含氧化合物的比表面积低,并且孔道极不发达,因此亟需合成有利于传质的有序大孔非金属含氧化合物晶体材料.最近研究者发现,硼基催化剂在催化低碳烷烃氧化脱氢制烯烃反应中呈现出高的反应活性、选择性和稳定性,且我们发现B-O(B-OH)位点在硼基催化材料中起着至关重要的作用.三元非金属磷酸硼晶体由BO4和PO4四面体组成,具有优异的热稳定性和抗氧化性能,有可能适合于催化丙烷氧化脱氢制丙烯的反应.但制备磷酸硼晶体过程通常需要经过高温焙烧,从而导致产物结构密实、无孔、外表面积低.此外,丙烷氧化脱氢反应具有强放热特性,易在催化剂表面形成热点,引起烯烃产物的二次反应,降低目标产物选择性,因此解决传质传热问题尤为重要.如果能充分利用磷酸硼的高导热性,同时调控孔结构以改善传质,减少接触时间,则有望设计一种具有良好催化选择性和产率的非金属催化剂,助力丙烷氧化脱氢制丙烯研究领域的发展.本文设计合成了结构稳定的三维有序大孔磷酸硼晶体材料,在丙烷氧化脱氢反应中表现出优异的催化活性及选择性.在515℃反应丙烷转化率达14.3%,丙烯选择性达82.5%,烯烃选择性达91.5%,同时,深度氧化的产物CO2选择性不超过1%.由于有序大孔的结构改善了传质,并暴露出更多的活性位点,该催化剂可在高空速下展现出较高的烯烃产率(~16 golefin gcat^-1 h^-1),是目前报道的大部分丙烷氧化脱氢催化剂所能得到的烯烃产率的2-100倍.本文采用电镜、X射线衍射、红外、固体核磁及X射线光电子能谱等手段探究了有序大孔磷酸硼催化剂在丙烷氧化脱氢反应中的结构稳定性及活性位点.结果表明,有序大孔磷酸硼骨架在反应过程中稳定性好,反应后作为活性位的磷酸硼催化剂表面的三配位硼物种有所增加.本文为制备结构稳定、抗氧化性强且催化活性优异的新型非金属催化剂提供了新的途径,为促进氧化脱氢制烯烃研究领域的发展提供了材料支撑平台.

镍掺杂对氧化铝纳米片负载金催化剂在CO氧化反应中的促进作用（英文）

负载型金催化剂在CO氧化反应中具有良好的低温活性,受到了研究者的广泛关注,其催化性能与载体的性质密切相关.氧化铝具有廉价易得、比表面积大和热稳定性好等优点.然而,作为一种非还原性载体,氧化铝提供活性氧物种的能力差,与还原性载体相比催化剂的CO氧化活性较低.理论计算和实验结果表明,在金催化剂中引入过渡金属镍能够有效促进氧分子在催化剂表面的吸附和活化,从而提升金催化剂活性.此外,过渡金属的存在能够提高金的分散度,增加活性位数目,防止在高温预处理过程中金颗粒的烧结,从而提高催化剂的活性和稳定性.基于上述考虑,本文在氧化铝纳米片合成过程中原位引入硝酸镍,以实现对氧化铝载体的改性,然后负载金并应用于CO氧化反应.结果表明,当载体中的Ni/Al摩尔比为0.05,金负载量为1wt%时,采用还原性气氛对催化剂进行预处理可以得到具有CO氧化性能优良的金催化剂, 20 oC下CO转化率即可达100%.预处理气氛能够显著影响催化活性,采用还原性气氛预处理后催化剂活性明显优于氧化性气氛预处理.采用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、氧气程序升温脱附(O2-TPD)、CO吸附原位红外光谱(CO-DRIFT)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段进一步研究了镍掺杂对Au/Al2O3催化剂上CO氧化反应的促进作用机制.XRD测试未观察到明显的金或镍衍射峰,表明金或镍物种均为高分散.HRTEM结果进一步证实,引入镍物种后金颗粒的粒径由3.6 nm减小为2.4 nm,表明镍掺杂有助于提高金的分散度.而XPS结果显示,镍掺杂催化剂中金与镍存在电子转移,而镍仍以Ni O为主.H2-TPR结果表明,镍掺杂的催化剂前驱体中的金物种更容易被还原.O2-TPD结果证实,镍掺杂催化剂能够引入更多的氧空位,促进氧分子的吸附和活化,从而促进CO氧化反应的进行.CO-DRIFT结果表明,相比于氧化性气氛,采用还原性气氛预处理后金物种的电子云密度增加, CO吸附增强.而对于镍掺杂的催化剂,金物种吸附CO分子的能力进一步提高,有利于CO氧化反应的进行.综上,镍掺杂能够有效提高催化剂中金的分散度,增强催化剂对CO的吸附,促进氧气分子的吸附和活化,从而提高了催化剂的CO氧化活性.