甲烷转化合成C2含氧化合物的研究进展

对甲烷经合成气路线间接制C2含氧化合物的现状及甲烷直接转化制C2含氧化合物的研究进展进行了评述。通过对间接与直接路线的比较,以及对甲烷在均相体系和非均相体系下直接催化转化的分析,得出了CH_4和CO_2直接合成C2含氧化合物在工艺过程上有显著优势,尤其是采用非均相催化体系。该工艺为C2含氧化合物的合成和CH_4与CO_2的绿色化学利用开辟了新途径。

合成气直接制C2含氧化合物Rh基催化剂中金属-助剂(载体)界面的构建

由煤、天然气或生物质经合成气直接制取乙醇等C2含氧化合物可以替代传统的石油和粮食路线,其意义重大。负载型助剂促进的金属Rh是实现该过程最有效的催化剂,其中Rh⁃助剂(载体)接触界面是发生目标反应的活性位,其面积的大小直接决定了该催化剂的性能,因此,近些年来人们尝试多种物理或化学方法来改进Rh基催化剂的制备过程,以最大化金属-助剂界面。我们简要介绍和评述了涂覆法、形成复合氧化物或合金、强静电吸附法、控制表面反应法和原子层沉积法等的原理、过程以及优缺点。通过结合上述合成方法,可制备出均一分布的、界面活性位结构确定的催化剂。

酸改性CoPd/TiO2催化CH4-CO2直接合成C2含氧化合物

采用酸处理方法对CoPd/TiO2催化剂进行改性,并将酸改性催化剂用于温和条件下CH4-CO2梯阶转化直接合成C2含氧化合物(乙酸和乙醇)的反应。在150~300℃考察了浸酸方式和不同种类酸处理对催化剂活性和选择性的影响。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和N2吸附对催化剂进行了表征。结果表明,酸改性明显提高了CoPd/TiO2上C2含氧化合物的生成速率和选择性。浸酸方式对催化剂性能和结构有显著影响,先用酸浸渍载体然后再浸渍活性金属所得催化剂具有更高的活性。在H3PO4、HNO3和HCl中,H3PO4浸渍的催化剂活性最佳,在150℃时C2含氧化合物(乙酸和乙醇)的生成速率为3365μg/(g·h),选择性达到91%。

合成气制C_2含氧化合物Rh基催化剂中的载体效应

负载型Rh基催化剂是实现由煤或生物质经合成气制乙醇等C2含氧化合物过程的最高效催化剂之一,其中载体的选择至关重要。本文综述了硅胶、Al2O3、TiO2、多孔炭材料、分子筛和复合氧化物等载体负载的Rh基催化剂性能及其研究进展,阐明了载体中的杂质、孔道结构、酸碱性、表面基团性质和可还原性等性质如何影响催化剂活性组分的物化性质乃至催化性能。结果表明,载体与活性组分(助剂)间的相互作用机制和程度是理解载体效应的关键。因此,应设计和制备出具有适宜孔结构、表面活性和可还原性适中、略偏碱性的催化剂载体,同时细致优化催化剂制备和活化过程,以达到适宜的金属-载体相互作用,确保产生更多的催化活性位,从而最大限度地提高Rh的催化效率,推动该过程的工业化进程。

Rh基催化剂上CO加氢制C_2含氧化合物的红外光谱研究

用红外光谱法考察了Rh-Mn-Li-Ti/SiO2催化剂在CO加氢反应过程中表面吸附物种随压力、温度和H2/CO比的改变而变化的规律.结果表明,高压有利于提高催化剂表面吸附的CO浓度和活性,高温有利于CO解离;而高温、高压条件不但促进了CO吸附,而且提高并平衡了CO的解离和插入之间的相对活性,促进了C2含氧化合物的生成.H2/CO比的增大有利于CO在催化剂表面的吸附,从而促进了CO插入,尤其是CO的解离和加氢活性,但是过高的H2/CO比将导致过高的CO解离和加氢活性,引起CO插入活性的削弱而最终导致C2含氧化合物生成活性的下降.同时,考察了助剂(Mn,Li和Ti)对Rh基催化剂表面吸附物种的影响.结果表明,助剂的加入可提高C2含氧化合物的生成活性.

Rh-Mn-Li/SiO_2催化剂上CO加氢制C_2含氧化合物:载体硅烷化程度的影响

以三甲基氯硅烷为硅烷化试剂,对硅胶进行不同程度硅烷化预处理,采用浸渍法制备了其负载的Rh-Mn-Li催化剂,用于CO加氢制C2含氧化合物的反应,并运用红外光谱、N2吸附-脱附法、C含量测定、透射电镜、H2程序升温还原和程序升温表面反应等手段对载体和催化剂进行了表征。结果表明,制得的不同硅烷化程度硅胶织构性质变化不大,它们负载的催化剂上Rh平均粒径均在3 nm左右,硅烷化对催化剂吸附CO的形态和Rh的还原性能的影响均很小,但随着载体硅烷化程度的提高,催化剂上Rh解离CO的能力增加,因而其活性逐渐增加,且不影响C2含氧化合物的选择性。

微乳液在制备C_2含氧化合物合成催化剂中的应用

对微乳液法在制备C2含氧化合物合成催化剂中的应用做了较为详细的综述。从制得纳米粒子与载体的结合方式,主要有3种方法:微乳液同步合成法,微乳液沉积法和微乳液浸渍法。目前报道较多的是第一种方法,制得的Rh/SiO2催化剂具有较好的CO加氢生成C2含氧化合物的活性和选择性,但存在金属包埋的问题。微乳液沉积法可部分解决金属包埋问题,但金属与载体之间的化学作用力不强而导致催化剂热稳定性较差。微乳液浸渍法可以通过保持水核中金属离子在浸渍过程中处于未还原状态从而避免上述这些问题,虽然该法仅用于F-T合成催化剂的制备,但催化性能优越,产物中甲烷选择性非常低,值得尝试用于C2含氧化合物合成催化剂的制备。

制备方法和条件对Rh-Mn-Li-Ti/SiO_2催化剂CO加氢制C_2含氧化物性能的影响

采用CO加氢反应、程序升温还原(TPR)和CO脱附(CO-TPD)等技术,研究了TiOx/SiO2焙烧温度和Rh-Mn-Li-Ti/SiO2干燥温度对CO加氢合成C2含氧化合物的影响。结果表明,不同温度焙烧对Rh-Mn-Li-Ti/SiO2(ω(Ti)=0.005%)催化剂的C2含氧化合物的生成具有明显不同的促进作用。经873K焙烧的催化剂C2含氧化合物的时空产率达395.0g/(kg(cat)·h),C2含氧化合物的碳数选择性达46.1%;适当延长干燥时间,可将C2含氧化合物的时空收率增加到425.8g/(kg(cat)·h),而选择性无明显变化。TPR结果表明,TiOx/SiO2焙烧温度和催化剂干燥时间可调节RhMn相互作用,而只有当Rh-Mn相互作用处于较弱的状态,催化剂才具有较高的催化性能。CO-TPD的研究表明,随TiOx/SiO2焙烧温度的升高,催化剂上的2个CO脱附峰都逐渐向低温移动,脱附峰面积随焙烧温度不同而变化。

焙烧温度对合成气制C_2含氧化物Rh基催化剂性能的影响及表征研究

制备了不同焙烧温度的Rh-Mn-Fe-Li/SiO2催化剂,并采用XRD、N2吸附-脱附、氢氧滴定、TPR等方法对催化剂进行了表征,详细考察了催化剂催化CO加氢制C2含氧化合物的反应性能。研究结果显示,焙烧改变了Rh和助剂间的相互作用强度,从而影响了催化剂的活性和选择性。当焙烧温度为550℃,催化剂活性最高达19.4%,此时C2含氧化合物选择性达59.9%,时空收率达747.9g/(kg.h)。

Ti助剂对Rh-Mn-Li/SiO2催化剂CO加氢制C2含氧化物性能的影响

采用CO加氢反应、CO脉冲吸附和程序升温脱附(CO-TPD)以及程序升温还原技术(TPR),研究了Ti助剂对Rh-Mn-Li/SiO2催化剂上CO加氢合成C2含氧化合物的影响.CO加氢反应结果表明,微量Ti(0.0025%)的加入,催化性能得到明显改善.Ti的负载量增加至0.3%,催化性能下降.CO吸附,CO-TPD和TPR结果表明,添加微量Ti,增加了强吸附CO的量,且微量Ti的添加致使催化性能提高的原因可能与Ti削弱了Rh与Mn间的相互作用有关.

单分散SiO_2的焙烧温度对Rh基催化剂上CO加氢反应性能的影响

在比较了分别以商业SiO2和采用Sto?ber法制备的单分散SiO2为载体的Rh-Mn-Li/SiO2催化剂催化CO加氢反应性能的基础上,进一步调变了Stober法制备SiO2时的焙烧温度,并考察了其对Rh-Mn-Li/SiO2催化CO加氢性能的影响.利用N2吸附-脱附、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、H2程序升温还原(H2-TPR)、程序升温表面反应(TPSR)等方法对载体及催化剂的物理化学性能进行了表征.结果表明:不同温度焙烧的载体表面具有不同的Si―OH数量,从而影响金属的分散状态及Rh和Mn之间的相互作用.载体表面较多的羟基有利于Rh的分散和CO的吸附,从而增强催化剂的反应活性.载体表面适当数量的羟基能够得到适中的Rh与Mn之间的相互作用,使催化剂具有合适的CO解离能力,有利于CHx的CO插入反应,从而提高了C2含氧化合物的选择性.

浸渍溶剂对Rh-Mn-Li/SiO_2催化剂CO加氢性能的影响

采用CO加氢反应、CO-TPD、TPSR和XPS等技术,考察了水、甲醇、乙醇和异丙醇等浸渍溶剂对Rh-Mn-Li/S iO2催化剂CO加氢性能的影响。结果表明,以乙醇为浸渍溶剂的催化剂表现出最高的C2含氧化合物时空收率(YC2-oxy)和C2含氧化合物选择性(SC2-oxy),分别达686.1 g/(kg-cat.h)和73.8%;以甲醇和异丙醇为浸渍溶剂的催化剂上YC2-oxy也较高,但是SC2-oxy都比前者低;水溶液浸渍制备的催化剂有着较高的SC2-oxy,但是其YC2-oxy较低。以醇类为浸渍溶剂的催化剂的高活性与金属活性组分在催化剂表面富集而导致的更多活性中心的形成有关。催化剂表面非解离的CO比率增加有利于C2含氧化合物选择性的提高。

助剂铈对Rh-V/SiO_2催化剂催化CO加氢性能的影响

研究了助剂Ce和V对Rh/SiO2催化剂催化CO加氢合成乙醇等C2+含氧化合物的性能的影响。用程序升温脱附(TPR)、CO吸附和程序升温脱附(CO-TPD)对催化剂进行了表征。结果表明,助剂Ce、V的加入显著提高了Rh/SiO2催化剂的活性和选择性,助剂Ce或V的添加抑制了Rh组分的还原,而Rh组分促进了V组分的还原。催化剂最佳w(Ce)为0.5%,此时Rh分散度较高,弱吸附的CO数量较多,从催化剂上脱附出来的未解离CO数量也较多,从而促进了CO插入,提高了催化剂的活性和乙醇等C2+含氧化合物的选择性。w(Rh)=1.0%、w(Ce)=0.5%、w(V)=1.0%的Rh-Ce-V/SiO2催化剂的乙醇选择性和C2+含氧化合物时空产率分别达到31.9%和316.7g/(kg·h)。

La2O3助剂对Rh/SiO2催化CO加氢反应性能的影响

采用溶胶凝胶法制备了SiO2和La2O3-SiO2载体,再通过浸渍法分别引入Rh-La和Rh组分,研究考察了La引入方式对Rh/SiO2催化CO加氢反应性能的影响。结果表明,La的添加有利于提高Rh的分散度,促进Rh+中心数的增加,有效地抑制产物中CO2的生成,提高含氧化合物选择性。此外,La的引入方式会影响La与Rh间的相互作用强弱,Rh和La共浸渍制得的2Rh-5La2O3/SiO2催化剂中Rh-La相互作用较强,削弱的Rh-CO键有利于反应过程中CO的插入反应,使得产物以C2+含氧化合物为主。而La以助剂形式掺入SiO2制得的2Rh/5La2O3-SiO2催化剂具有较弱的La-Rh相互作用,其产物则以甲醇、乙醇等低碳醇为主。

在超临界相条件下由合成气合成C_2含氧化合物反应的研究

首次把超临界相引入到合成气合成C2 含氧化合物反应中 .结果表明 ,在超临界相中进行反应可大幅度提高C2 含氧化合物的选择性 ,尤其是提高产物乙醇的选择性 ,抑制了高碳数含氧化合物和烃类的生成 .

合成气制备C_2含氧化合物催化剂的研究进展（英文）

通过CO加氢作用来利用合成气制C2含氧化合物是制备乙醇和其他重要化工原料的一种有效途径.但是这一反应不是自发的,要得到收率及选择性高的产物,合适的催化剂起着关键作用.近30年来,众多研究者致力于合成气制C2含氧化合物催化剂合成的研究,取得了很多成果,但是现有的催化剂均或多或少存在一些缺陷,要想实现这一反应过程的工业化应用,仍需进一步的深化研究.本文主要综述了合成气制C2含氧化合物催化剂的研究进展,比较了各种合成气制C2含氧化合物催化剂的优缺点.同时对C2含氧化合物的形成机理、助剂及载体如何提高催化剂性能进行了初步探讨.

Rh-Mn-Li／SiO2催化剂的吸附量热和红外研究

通过在最优Rh含量基础上对金属配比的再优化,成功地改进了Rh-Mn-Li/SiO2催化剂的CO加氢性能;并采用微量吸附量热和红外等表征手段,考察了助剂Mn和Li促进作用的本质.结果表明:助剂Mn和Li的添加,使孪式和线式吸附CO的碳氧键强度增加,并同时削弱了桥式吸附CO的碳氧键或者使其转化为更易于解离的倾斜式CO吸附物种,从而同时增加了Rh基催化剂的CO解离和插入能力,提高了其活性和C2含氧化合物选择性.另一方面,Mn和Li的添加显著地降低了Rh基催化剂表面H的数量和稳定性.催化剂加氢能力显著降低极大地抑制了CH4的生成,从而有利于C2含氧化合物选择性的进一步提高.