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钼、钒基介观结构催化剂的构筑及其催化烯烃转化研究

崔玉明  
【摘要】:丙烯是一种重要的有机化工原料,通过聚合、氧化、氨氧化、烷基化等反应可得到一系列重要的丙烯衍生物,如聚丙烯、丙烯醛和丙烯酸、环氧丙烷等,这些都是新型材料和精细化工中间体或基本原料,可进一步加工成双酚A、环氧树脂、聚氨酯等产品。随着国民经济的迅速发展,下游产品产量的迅速增长,导致丙烯需求量急剧增加,而传统的丙烯增产工艺已不能满足日益增长的需求,探索一条低能耗、高收率的绿色环保合成工艺显得尤为重要。Chauvin, Schrock, Grubbs三位科学家以其在烯烃歧化反应机理和应用领域的巨大贡献获得了2005年诺贝尔化学奖,使烯烃歧化反应的研究又重新回到大家的视野。石化工业中丁烯的大量生成和低效利用为歧化反应增产高附加值的丙烯提供了研究契机。同时,气相氧选择氧化丙烯制丙烯醛,丙烯酸及环氧丙烷是丙烯利用的重要研究方向,高转化率和产物高选择性一直是其研究的主要目标。简化催化剂组分以实现对其基本性质和反应动力学的研究也具有重要的研究意义。此外,随着全球环境污染问题的加重,设计低温高活性的催化体系并对污染物的有效控制,特别是氮氧化物(NOx)的消除,是环境保护的重要研究课题。据此,本文采用控制合成法制备了几种规整氧化物载体,在其上高分散活性物种,通过活性物种与载体间的结构配位取向以及电子转移相互作用,调控表面活性物种在载体表面的状态,获得明确的,性能优越的介观结构催化剂体系以实现绿色、高效的催化反应过程。内容包括: 1)采用自身歧化(self-metathesis)反应将石化过程中产量丰富,价格便宜的1-丁烯在温和条件下高效转化成更高价值的丙烯和乙烯的反应需求。选择Mo基催化剂体系进行研究,总结文献结果,认识到控制活性MoOx物种与载体之间的相互作用是十分重要的。为此,采用油胺为结构导向剂采用水热法合成了一种具有规整一维形貌的γ-A12O3载体,并利用Si02在其上能够均匀分散的特点进行修饰,以之调节氧化钼与载体之间的相互作用,使活性钼物种在其上呈现适中的聚合状态以及可还原性。同时,调节氧化硅和钼物种的含量有效的调控催化剂的酸性,实现1-丁烯异构与歧化反应的优化配合,最终得到了具有优异的1-丁烯自身歧化反应生成丙烯、乙烯的催化剂,与文献结果比较,是目前报道的性能最好的1-丁烯自身歧化催化剂,而且催化剂的稳定性和循环性能都很好,具有较好的工业应用价值。通过29Si MAS NMR,拉曼(Raman)光谱,紫外可见光谱(UV-vis), H2-TPR和NH3-TPD等表征手段研究了催化剂的表面MoOx物种和基本性质,提出了可靠的催化作用机制。 2)结合近年来认识到的Bi2WO6材料较为独特的能带与表面氧吸附与活化性能,采用水热法以聚乙二醇为结构导向剂批量合成了具有单晶纳米片自组装形成的多级空心结构Bi2WO6微球。以该具有规整表面的化合物为载体合成负载型Mo基催化剂并研究了其气相氧选择性催化氧化丙烯的催化活性。证实Bi2WO6是典型的n-型半导体,氧在其表面发生载流子耗尽型吸附生成表面带负电吸附氧物种(O-,02-),此活性氧物种可在低温下将丙烯完全氧化生成C02。但是,通过表面接近一个分子单层的MoOx的修饰几乎可完全抑制丙烯完全的氧化反应,而在较高转化率的情况下获得异常高的丙烯醛选择性,且几乎没有丙烯酸生成,这一特性非常符合工业催化剂要求,与文献结果相比,在简单构成的催化剂中,以此催化剂的性能最为突出,揭示出催化剂形貌控制与结构控制是获得高效催化剂的良好思路。通过电导测试,H2-TPR, O2-TPD, XPS以及程序升温表面反应(C3H6-TPSR)等技术对催化剂进行了较为详细的表征,并提出MoOx修饰的单晶纳米片组装的Bi2WO6催化剂的选择性催化氧化丙烯生成丙烯醛的反应机理。 3)以水热法合成的锐钛矿相一维Ti02为载体,采用较为精细的制备技术在其上沉积氧化钒,合成了两种不同的钒钛催化剂,通过丙烯选择性氧化反应和NH3选择性催化还原NO反应表明,采用有机钒的表面键合得到的V2O5/TiO2(NH)催化剂具有较高的反应活性,其中4V2O5/TiO2(NH)催化剂在丙烯选择氧化反应中具有较好的丙酮选择性,这是一个较新的反应通道。同时,该催化剂在NO-SCR反应过程中也表现出了最高的NO转化活性。通过H2-TPR, XPS, Raman, FT-IR等技术手段表征,认识到此催化剂具有较高的钒物种分散度以及可还原性,同时,该催化剂还具有更强的催化剂酸性,这些因素的综合导致了好的催化性能。


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