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丙烷直接脱氢催化剂的研究进展(英文) 被引量:29
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作者 胡忠攀 杨丹丹 +1 位作者 王政 袁忠勇 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第9期1233-1254,共22页
丙烯是一种重要化工原料,可以用于生产聚丙烯、丙烯腈、丙烯酸、甘油及异丙醇等化学品.近年来,随着丙烯下游产品需求量的增加,传统丙烯生产技术(石油催化裂解、石脑油催化裂化)难以满足日益增长的丙烯需求,寻求新的丙烯生产技术成为石... 丙烯是一种重要化工原料,可以用于生产聚丙烯、丙烯腈、丙烯酸、甘油及异丙醇等化学品.近年来,随着丙烯下游产品需求量的增加,传统丙烯生产技术(石油催化裂解、石脑油催化裂化)难以满足日益增长的丙烯需求,寻求新的丙烯生产技术成为石油化工行业的重要趋势.另外,由于美国页岩气开采技术日益成熟,大量廉价的丙烷被开采出来.丙烷直接脱氢制丙烯成本大大降低,并逐渐成为丙烯生产来源的一个重要方面.丙烷脱氢工艺中最重要的就是催化剂的制备和研究,常见的丙烷脱氢催化剂为CrOx基催化剂和Pt基催化剂体系,并被广泛应用于工业丙烷脱氢体系.但是,Cr基催化剂积碳严重,需要反复再生;而Pt基催化剂价格昂贵,且Pt颗粒容易发生团聚而发生不可逆失活.因此,提高现有CrOx基和Pt基催化剂的稳定性或开发新型替代型丙烷脱氢催化剂成为提高丙烷脱氢工艺的关键.本文综述了近年来丙烷直接脱氢制丙烯催化剂的研究进展,详细讨论了不同催化剂(包括Pt,CrOx,VOx,GaOx,ZnO,FeOx,CoOx,SnOx,ZrO2基催化剂和碳基催化剂)的活性位点、催化机理及助剂类型和载体种类等对催化剂性能的影响.研究表明,丙烷脱氢催化剂的催化性能与活性物种的分散性和催化剂酸性关系很大.一般而言,活性物种分散性越高,催化剂的催化性能越好.而酸性过高会影响丙烯的脱附过程,因而会导致丙烷的深度脱氢、裂解或积碳的形成.因此,提高活性位的分散性和调节催化剂酸性是目前丙烷脱氢催化剂研究的重要方面.最近的一些研究主要集中在制备单分散(单原子)或双原子合金催化剂用于丙烷脱氢,大大提高催化剂的稳定性.目前,CrOx基和Pt基催化剂仍是丙烷脱氢反应的主要催化剂,提高它们的活性、稳定性、选择性和抗积碳能力仍是丙烷脱氢工艺研究的重要方面.另外,一些新型负载型金属氧化物(如VOx,GaOx,FeOx,CoOx,SnOx,ZnOx,ZrOx)和纳米碳材料(介孔碳、碳纳米管和生物质碳)被发现是良好的丙烷脱氢催化剂.但是,这些催化剂也面临失活严重和循环性差等问题.因此,未来的研究目标需要集中在以下几方面:(1)开发新型制备工艺,提高催化剂稳定性;(2)明确催化剂活性位点、催化机理和构效关系;(3)明确催化剂失活和再生循环机制;(4)发展原位或operando技术监测丙烷脱氢催化剂的实时变化情况. 展开更多
关键词 丙烷脱氢 丙烯 非均相催化剂 活性位 催化机理
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介孔碳作为非金属丙烷脱氢催化剂:孔道结构和表面性质的影响(英文) 被引量:7
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作者 胡忠攀 任金涛 +2 位作者 杨丹丹 王政 袁忠勇 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第9期1385-1394,共10页
作为一种非金属催化剂,纳米碳材料被广泛应用于各种催化反应.尤其在近几年,纳米碳材料被发现是一种良好的烷烃脱氢催化剂.但是,由于缺乏对碳材料的结构和表面性质方面的基础研究,碳材料在烷烃直接脱氢反应中的活性位点并不明确.另外,由... 作为一种非金属催化剂,纳米碳材料被广泛应用于各种催化反应.尤其在近几年,纳米碳材料被发现是一种良好的烷烃脱氢催化剂.但是,由于缺乏对碳材料的结构和表面性质方面的基础研究,碳材料在烷烃直接脱氢反应中的活性位点并不明确.另外,由于碳材料本身的复杂结构,精确调控碳材料的微观孔道结构,研究碳材料的结构特性对其烷烃脱氢反应性能的影响仍存在较大难度.本文利用软模板和控制焙烧的方法合成出一系列具有不同孔道有序性和表面性质的介孔碳材料,系统研究了介孔碳孔道有序性和表面含氧官能团种类、含量等因素对介孔碳材料丙烷脱氢性能的影响.XRD,SEM,TEM和氮气吸附结果显示,通过添加F127可将介孔孔道引入到碳材料中;调节间苯二酚和甲醛的比例可以实现介孔碳材料孔道有序性的调控;在保证碳材料孔道有序性的前提下,通过控制焙烧温度可以精确调节碳材料表面的含氧官能团种类和数量.然后,将该系列碳基催化剂进行丙烷脱氢测试.结果发现,介孔的引入可以为丙烷脱氢反应提供大量的活性位点,因而介孔碳比无孔碳具有更加优异的丙烷脱氢活性.对于介孔碳材料,孔道越有序,表面含氧官能团越多的介孔碳材料表现出更加优异的丙烷脱氢性能.因为高度有序的介孔孔道有利于反应物和反应产物的传质,降低催化反应的空间位阻,从而提高催化剂的活性,选择性和稳定性.碳材料表面的含氧官能团被认为是丙烷脱氢的主要活性位点,含氧官能团越多,活性位点越多,因而活性就越好.但是,介孔碳表面含有各种不同的含氧官能团(羧基、羟基和碳基).结合XPS和丙烷脱氢测试结果,将不同温度处理后的有序介孔碳的丙烯生成速率和表面含氧官能团含量进行拟合.结果表明,介孔碳材料表面的羰基含量与其丙烯生成速率之间具有非常好的线性关系,而羧基和羟基含量与丙烯生成速率之间并不具有明显的线性关系,从而证明碳材料表面的碳基可能为其在丙烷脱氢反应中的活性位点.本文从实验角度为纳米碳材料在烷烃脱氢方面的活性位点进行了初步证明. 展开更多
关键词 介孔碳 丙烷 脱氢 丙烯 无金属催化
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磷掺杂的介孔碳材料作为高效氧还原电催化剂(英文) 被引量:7
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作者 赵挥 胡忠攀 +2 位作者 朱运培 葛丽 袁忠勇 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第9期1366-1374,共9页
化学改性的碳材料由于其可控的理化性能、可设计的微纳结构以及优良的稳定性,在可再生能源储存和转换领域得到了极大的关注.将杂原子例如N,P,B和S掺杂到碳材料的骨架结构可以显著改善其电催化活性,这是因为杂原子掺杂可以打破相邻碳原... 化学改性的碳材料由于其可控的理化性能、可设计的微纳结构以及优良的稳定性,在可再生能源储存和转换领域得到了极大的关注.将杂原子例如N,P,B和S掺杂到碳材料的骨架结构可以显著改善其电催化活性,这是因为杂原子掺杂可以打破相邻碳原子的电中性,创造活性位点,从而有利于氧气分子的吸附和氧还原反应的进行.早期报道比较多的是氮掺杂的碳材料,后续的研究发现,与氮掺杂相比,磷掺杂能够更有效地对碳的结构和性能进行改性,因为磷原子比氮原子具有更大的共价半径和更低的电负性,磷掺杂的碳材料也表现出更为优异的催化活性.此外,氧还原反应活性极大地依赖于碳材料的结构性质诸如导电性,稳定性和活性位点的分散程度等.基于这种考虑,构建具有高比表面积以及发达孔隙率的多孔碳材料有利于对活性位点的充分利用,并改善催化反应过程的物质传输.但是制备磷掺杂多孔碳材料的方法一般都比较复杂且危险,为此,本课题组发展了一种有机-有机自组装的软模板法,以有机膦酸为磷源制备了磷掺杂的介孔碳材料用于电催化氧还原反应,所得到的材料具有较高的磷掺杂率和较大的比表面积,然而,该催化剂的表观活性与商业Pt/C相比仍有很大差距,而且磷掺杂量对介孔碳材料结构和活性的影响也不甚清楚.基于此,本文采用有机膦酸羟基乙叉二膦酸(HEDP)为磷源,酚醛树脂为碳源,并加入适量的铁物种制备得到了介观结构良好的碳材料,其中,制备过程中铁物种可以作为石墨化催化剂,增强材料的石墨化程度,随后的酸洗将其去除,所得碳材料比表面积大,孔径分布窄,导电性能良好.此外,进一步探讨了磷的掺杂量对电催化活性的影响.XRD和TEM结果表明,适量磷掺杂所制备的催化剂(P-MC-4)具有有序的蠕虫状孔结构;EDS图谱表明,磷原子已经均匀的掺杂到碳材料的骨架结构中;N2吸附-脱附测试表明,适量的磷掺杂有利于改善碳材料的孔性,较高的磷掺杂量会导致碳材料较差的织构性质.Raman光谱结果表明,铁物种的引入增强了碳材料的石墨化程度并提高了导电性,而磷掺杂导致其缺陷位点增多,磷掺杂量越多,缺陷也就越多.我们进一步研究了P-MC-4的表面化学性质,XPS结果表明,磷掺杂量为0.47 at%的HEDP可以作为一种极有潜力的磷源来合成磷掺杂的介孔碳材料,此外,HEDP的引入量决定了磷的掺杂量,也极大的影响了碳材料的催化活性.电催化反应测试表明,P-MC-4的氧还原活性与商业Pt/C是可比的,其遵循的是4电子的反应路径,而且其抗甲醇氧化能力和稳定性优于Pt/C.其原因主要归结于以下几点:(1)磷掺杂提供了催化反应的活性位点,磷能够改善碳材料的给电子能力,进而提高电催化活性;磷的掺杂量极大的影响了碳材料的结构性质并进一步影响催化活性,适量的磷掺杂能够显著提升碳材料的电催化活性;(2)加入铁物种作为石墨化试剂,能显著提高碳材料的石墨化程度,从而增大其导电性,有利于催化反应中的电子传输;(3)相比微孔和大孔介孔结构更有利于活性位点的暴露和物质传输,而且P-MC-4具有相对有序的孔结构和较高的比表面积,也有助于催化反应中的介质传输.值得注意的是,最终得到的催化剂并不含有铁,所以该材料是一个无金属的催化活性良好的电催化剂,有望替代Pt/C催化剂应用于燃料电池中. 展开更多
关键词 磷掺杂 介孔碳 电催化剂 氧还原反应
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CrOx supported on high-silica HZSM-5 for propane dehydrogenation 被引量:3
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作者 zhong-pan hu Yansu Wang +1 位作者 Dandan Yang Zhong-Yong Yuan 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第8期225-233,I0008,共10页
Industrial propane dehydrogenation(PDH)catalysts generally suffer from low catalytic stability due to the coke formation onto the catalyst surface to cover the active sites.The exploitation of an efficient catalyst wi... Industrial propane dehydrogenation(PDH)catalysts generally suffer from low catalytic stability due to the coke formation onto the catalyst surface to cover the active sites.The exploitation of an efficient catalyst with both high catalytic selectivity and long-term stability toward PDH is of great importance but challenging to make.Herein CrOx supported on high-silica HZSM-5 with a SiO2/Al2O3 ratio of 260(Cr/Z-5(260)is synthesized by a simple wet impregnation method,which exhibits high catalytic activity,good selectivity and excellent stability for PDH.At a weight hourly space velocity(WHSV)of 0.59 h-1,a propylene formation rate of 4.1 mmol g-1cath-1(~32.6% propane conversion and ~94.2% propylene selectivity)can be maintained over the 5%Cr/Z-5(260)catalyst after 50 h time on stream,which is much better than commercial Cr/Al2O3(Catofin process,catalyst life is several hours)at the same reaction conditions.With increasing the WHSV to 5.9 h-1,a high propylene formation rate of 27.9 mmol gcat-1h-1can be obtained over the 5%Cr/Z-5(260)catalyst after 50 h time on stream,demonstrating a very promising PDH catalyst.Characterization results and Na+doping experiments reveal that the Cr species combined with Br?nsted acid sites in Cr/HZSM-5 catalysts are responsible for the high catalytic performance.In particular,the Br?nsted acid sites in HZSM-5 zeolite could increase the propane adsorption and enhance the C–H bond activation.Furthermore,the high surface area and well-defined pores of HZSM-5 zeolite can provide a special environment for the dispersion and stabilization of Cr species,thus guaranteeing high catalytic activity and stability. 展开更多
关键词 Propane dehydrogenation ZSM-5 zeolite Chromium oxide PROPYLENE BrΦnsted acid sites
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Enhancing the aromatic selectivity of cyclohexane aromatization by CO_(2)coupling
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作者 Xiangxiang Ren zhong-pan hu +2 位作者 Jingfeng Han Yingxu Wei Zhongmin Liu 《Frontiers of Chemical Science and Engineering》 SCIE EI CSCD 2023年第11期1801-1808,共8页
Improving the aromatic selectivity in the alkane aromatization process is of great importance for its practical utilization but challenge to make because the high H/C ratio of alkanes would lead to a serious hydrogen ... Improving the aromatic selectivity in the alkane aromatization process is of great importance for its practical utilization but challenge to make because the high H/C ratio of alkanes would lead to a serious hydrogen transfer process and a large amount of light alkanes.Herein,CO_(2)is introduced into the cyclohexane conversion process on the HZSM-5 zeolite,which can improve the aromatic selectivity.By optimizing the reaction conditions,an improved aromatic(benzene,toluene,xylene,and C9+)selectivity of 48.2%can be obtained at the conditions of 2.7 MPa(CO_(2)),450℃,and 1.7 h^(−1),which is better than that without CO_(2)(aromatic selectivity=43.2%).In situ transmission Fourier transform infrared spectroscopy spectra illustrate that many oxygenated chemical intermediates(e.g.,carboxylic acid,anhydride,unsaturated aldehydes/ketones or ketene)would be formed during the cyclohexane conversion process in the presence of CO_(2).13C isotope labeling experimental results demonstrate that CO_(2)can enter into the aromatics through the formation of oxygenated chemical intermediates and thereby improve the aromatic selectivity.This study may open a green,economic,and promising way to improve the aromatic selectivity for alkane aromatization process. 展开更多
关键词 AROMATICS carbon dioxide AROMATIZATION coupling reaction ZSM-5 zeolite
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