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Cu/Ti0_2催化剂的制备、表征及其光催化甲醇制甲酸甲酯牲能研究

刘洁  
【摘要】:被誉为“万能中间体”的甲酸甲酯,是一种重要的化工原料,可以甲醇为原料生产。近年来,由于国内甲醇产能的严重过剩,因此将甲醇转化为甲酸甲酯具有重要的现实意义,成为了化学领域新的研究热点。本研究通过金属溶胶法制备了三种不同催化剂(Ag-Ni/TiO2、Ag-CuO/TiO2、Cu/TiO2),分别对其进行表征及活性测试,筛选出性能良好的催化剂Cu/TiO2。制备一系列不同摩尔比的Cu/TiO2催化剂;采用X射线衍射(XRD)、H2-程序升温还原(TPR)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、透射电镜(TEM).X射线光电子能谱仪(XPS)、能量色散X射线光谱(EDS)对催化剂进行表征;在紫外光照射、低温(25℃-45℃)范围内及气相条件下考察其对光催化部分氧化甲醇制备甲酸甲酯的催化性能。进而对该反应的机理做了初步的探索与讨论。主要研究内容及结果如下所示:1、三种催化剂的表征结果表明:Cu/TiO2催化剂中的铜物种在制备过程中完全氧化为氧化铜,颗粒均匀,粒径小,平均粒径为4.5nm,分散良好,没有出现团聚现象。在原料气为1%甲醇+0.5%氧气+98.5%氮气(体积比)时,低温15℃-45℃范围内,考察催化剂Cu/TiO2 Ag-CuO/TiO2、Cu/TiO2的光催化甲醇制甲酸甲酯反应性能,发现在这三种催化剂中,Cu/TiO2的催化活性最好。制备一系列不同铜负载量的Cu/TiO2催化剂,对其进行形貌、结构、金属含量、金属价态分析等。在原料气中甲醇的体积分数为3%,氧气为1.5%时,考察其光催化甲醇转甲酸甲酯的活性,发现当铜的负载量为7%时,催化活性最好,在45℃下,甲酸甲酯的生成速率可达56.4mmol/g/ho2、通过HRTEM、XPS、UV-visible和H2-TPR观察反应前后及反应中的负载量为7%的Cu/TiO2样品中铜物种的形貌、金属价态、吸收峰的波长、耗氢峰的位置,发现制备好的催化剂中负载铜以氧化铜形态存在,反应过程中在紫外光的照射下,氧化铜被还原为金属铜,反应后在空气中放置一周后,催化剂中铜物种又被氧化为氧化铜及氧化亚铜。3、考察了氧分压、甲醇分压、光强度、温度对甲醇的转化率和甲酸甲酯的选择性的影响。发现反应过程中甲醇分压不宜过高,以小于3%为宜;氧分压对甲醇转化率和甲酸甲酯选择性影响较大,氧分压提高甲醇转化率升高但甲酸甲酯选择性下降;原料气中甲醇与氧气比为2:1时,可达到最佳的甲醇转化率及甲酸甲酯选择性;催化活性与光强度基本成正比例关系;在15到45℃范围内,随着温度的升高,催化剂的催化活性提高。4、氧化铜与二氧化钛半导体间形成异质结,在紫外光照射下,二氧化钛价带的光生电子迁移至导带后,穿过异质结的空间电荷区域迁移至氧化铜的导带,这些电子将氧化铜还原为金属铜,金属铜与二氧化钛间形成欧姆接触。在金属与载体界面,电子的迁移有利于氧气的化学吸附和解离。吸附在催化剂表面的甲醇分子O-H断裂,生成甲氧基,H与表面羟基结合生成水,甲氧基与空穴接触,被氧化为甲醛。吸附在二氧化钛表面的甲醛与相邻的甲氧基结合生成甲酸甲酯。催化剂表面的氧气分子在带负电的金属铜表面被解离溢出,填补催化剂表面的氧空位。5、经过参数估值得到反应的动力学方程:其中CMF、CM、Co和1分别为甲酸甲酯浓度、甲醇浓度、氧气浓度和光强度。


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