戴国梁
,
李振华
,
王文宁
,
刘晶
,
范康年
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(11)60523-8
采用周期密度泛函理论研究了V2O5 (001)表面乙烷深度氧化过程,结果表明,乙醛是主要的副产物,且脱附态的乙醛能很容易被氧化成乙酸,但多数乙醛在从表面脱附前已被氧化成COx.显然,在乙烷氧化脱氢反应的最终产物COx主要来源于乙醛.
关键词:
深度氧化
,
乙烷
,
氧化脱氢
,
周期密度泛函
袁瑞雪
,
李杨
,
闫浩兵
,
王欢
,
宋健
,
张中申
,
樊卫斌
,
陈建刚
,
刘忠文
,
刘昭铁
,
郝郑平
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60180-7
采用溶胶-凝胶法制备了一系列钒氧化物催化剂,并用于CO2氧化异丁烷脱氢反应.采用X射线衍射、低温N2吸附-脱附、O2程序升温氧化、程序升温表面反应和原位傅里叶变换红外光谱等方法研究了催化剂的性质.反应结果表明,尽管所有钒氧化物催化剂的丁烯选择性都大于85%,但随着催化剂组成和制备方法的改变,催化活性和稳定性差异显著.其中,12 wt% V2O5/Ce0.6Zr0.4O2(7 wt%)-Al2O3的催化活性最高,而6 wt% V2O5-Ce0.6Zr0.4O2(7 wt%)-Al2O3的稳定性最佳.关联分析催化反应结果与催化剂表征表明,钒氧化物的催化活性取决于VOx物种的结晶度和分散度,而催化剂表面所积重质焦炭的特性是决定催化剂稳定性的关键.非稳态反应和原位光谱结果确认, CO2氧化异丁烷脱氢遵循Mars-van Krevelen氧化还原机理.
关键词:
异丁烷
,
氧化脱氢反应
,
二氧化碳
,
五氧化二钒
,
三氧化二铝
郁风驰
,
吴雪娇
,
张庆红
,
王野
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60152-2
报道了一种HCl存在时温和条件下的乙烷氧化脱氢制乙烯催化转化新途径。研究发现,在多种金属氧化物催化剂中, CeO2呈现最佳乙烯生成的催化性能。与纳米粒子相比,具有棒状和立方体状形貌的CeO2纳米晶具有较高的乙烷转化率和乙烯选择性。以MnOx修饰CeO2可进一步提高催化性能。在8 wt% MnOx-CeO2催化剂上,723 K反应2 h时乙烷转化率和乙烯选择性分别为94%和69%。该催化剂性能稳定,反应100 h乙烯收率可保持在65%-70%。 HCl的存在对乙烯的选择性生成起着至关重要的作用,一部分乙烯来自于氯乙烷的脱HCl反应。
关键词:
乙烷
,
乙烯
,
氧化脱氢
,
氯化氢
,
二氧化铈
杜钰珏
,
李振华
,
范康年
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60627-5
选取碳纳米管(CNT)催化剂催化丙烷氧化脱氢作为模型反应,通过系统研究CNT上多种活性氧位的微观结构,以及对其电子结构的表征,发现通过调控CNT大π体系与含氧官能团之间的共轭效应可以改变CNT的催化活性.CNT体系充当一个电子存储器,通过活性位与CNT的离域效应向活性位提供或夺取电子改变反应活性.对于丙烷氧化脱氢,当电子从CNT流向官能团时,第一步C-H断键活性提高,但反应过程中生成的中间体过于稳定将导致CNT催化剂活性位被占据,从而抑制第二步C-H活化生成丙烯.反之,当电子从官能团流向CNT时,第一步C-H断键活性较低,生成的中间体较不稳定,较易生成丙烯.因此,可以通过调控CNT与官能团之间的电子共轭效应来平衡两步C-H键的活化.这些结果有助于从微观尺度上理解CNT催化剂活性的来源,并为制备高活性CNT催化剂提供理论指导.
关键词:
碳纳米管催化剂
,
丙烷
,
氧化脱氢反应
,
密度泛函计算
,
共轭效应
徐兵
,
朱雪峰
,
曹中卫
,
杨丽娜
,
杨维慎
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60839-7
采用浸渍法制备了不同V2O5担载量的V2O5/MO-Al2O3(M = Mg, Ca, Sr, Ba)催化剂,钒物种的前驱体为偏钒酸铵.对制备的催化剂进行了一系列表征,并对催化剂上正丁烷选择性氧化脱氢制取丁烯进行了反应研究.表征结果(包括比表面积、X射线衍射、傅里叶红外光谱、氢气程序升温还原和拉曼光谱)显示,不同碱土金属元素掺杂的催化剂显示不同的钒价态信息和催化性能.其中掺杂Ca, Sr, Ba的催化剂,正钒酸盐相很难被还原,因此催化剂的氧化还原循环难以建立,导致以上三种催化剂在正丁烷氧化脱氢反应中活性较低.然而, Mg掺杂的催化剂却显示出较高的催化活性和选择性.实验结果表明：在Mg掺杂的载体上担载5% V2O5的催化剂上600°C时可获得高达30.3%的正丁烷转化率和64.3%的烯烃总选择性.这与V2O5担载量为5%时,在获得高度分散的钒氧化合物物种时可使MgO晶相稳定存在密切相关.
关键词:
氧化脱氢
,
正丁烷
,
丁烯
,
氧化镁
,
氧化铝
,
钒基催化剂
Nanzhe Jiang
,
Abhishek Burri
,
Sang-Eon Park
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60901-9
苯乙烯(SM)是聚合物化学中最重要的单体之一,由其生产的聚合物产品(如PS,SBR和ABS等)具有独特的性能,因而SM的需求逐年增加.乙苯(EB)催化脱氢工艺提供了90％的SM需求,该过程在K促进的氧化铁催化剂上于600-650℃进行.这是一个吸热且体积增大的反应,因此需要绝热反应器和大量的过热过饱和蒸汽以提供热量和降低反应分压,从而有利于反应平衡向SM方向移动,也可避免或消除积碳.同时,也造成大量潜热被浪费;热点也降低了整个反应活性和催化剂寿命.在蒸汽中加入空气或富氧空气,使得副产H2与O2反应,产生的热量可供随后乙苯脱氢反应,同时H2的移除也有利于提高EB单程转化率,并保持高的SM选择性.但是,该过程需要2个催化剂,反应器的设计和催化剂的装填比较复杂,且存在爆炸的危险.因此,人们尝试了多种氧化剂和新型的催化剂.最近也有人提出软氧化剂的概念.这为开发新催化体系提供了可能.相对于O2,CO2的氧化性很弱,但可用作温和氧化剂去除脱氢单元中副产的H2,降低了反应温度,且不影响反应活性和选择性;同时,具有较大的经济性和环保性,在工业上也是切实可行的.除了负载型的碱金属促进的氧化铁催化剂外,各种金属或金属氧化物也用于催化CO2氧化EB脱氢反应中,如Fe,Cr,V和La的氧化物为活性金属,碳材料、MgO、SiO2、Al2O3、Ga2O3、ZrO2、TiO2、水滑石类化合物及分子筛为载体.Park课题组研究了Fe,V和Cr基催化剂,即设计氧化还原的催化剂表面以解离CO2,产生的O用于逆水汽反应.其中以Al2O3负载的V和V-Sb氧化物催化剂性能最为突出;但存在积碳失活和V物种的深度还原等问题.为了进一步提高催化剂性能,该课题组开发了多种ZrO2基复合氧化物催化剂,包括MnO2-ZrO2,TiO2-ZrO2,CeO2-ZrO2和SnO2-ZrO2.这些催化剂具有酸碱特性,在反应中表现出较高的催化性能.因此,本文简要总结了用于CO2氧化EB脱氢反应的ZrO2基催化剂最新研究进展.研究发现,在CO2氧化EB脱氢制SM反应中,CO2在提高催化剂活性和稳定性方面起着非常重要的作用,可被定义为软氧化剂:氧化催化剂表面以保持其表面氧含量,移除催化剂表面产生的积碳和副产物H2,为反应体系提供较高的热容以克服反应平衡限制,从而达到较高的转化率.ZrO2基复合金属氧化物是具有改善的织构特性的纳米粒子,且具有酸碱两性和氧化还原性能.改性可提高催化体系的热稳定性和活性.其中CeO2-V2O5/TiO2-ZrO2催化剂具有恰当的氧化还原性和酸碱两性,二者协同作用,因而催化性能最佳.氧化还原稳定剂Sb的添加进一步提高了其催化性能.碱金属和碱土金属可优化其酸碱性,增加比表面积,从而提高反应活性和选择性以及CO2转化率.继续加强抑制积碳和促进CO2活化方面的研究,可有望进一步提高单程转化率(75％以上)、选择性(98％)和CO2转化率(30％).总之,CO2氧化EB脱氢制SM是一个高度经济性和环境友好的新过程,在未来有望满足SM日益增长的需求.另外,该过程的开发可减少CO2排放,其副产的CO还可用于多种化工过程.然而,该过程仍面临诸多挑战:如何抑制积碳,单程转化率和催化剂寿命有待进一步提高.这些挑战也给我们未来的研究提供了方向.深入理解反应机理、积碳机理和CO2的活化过程也有利于我们开发出更适合工业应用的催化剂.
关键词:
氧化脱氢
,
CO2活化
,
ZrO2基复合氧化物
,
酸碱性
,
氧化还原性
石磊
,
闫冰
,
邵丹
,
姜凡
,
王东琪
,
陆安慧
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62786-4
乙烯是最为重要的化工原料之一,目前其工业来源主要来自于烃类的水蒸汽裂解过程.该过程本质上是一个高温均相裂解过程,温度(>800?℃)高,能耗大,碳排放严重.乙烷氧化脱氢制乙烯属于放热反应,反应温度低,速率快,无积碳等限制,是一条更富有竞争力的工艺路线.然而,常用的金属或金属氧化物催化剂容易导致乙烯深度氧化,从而降低了乙烯选择性.纳米碳材料在烃类氧化脱氢反应中展现出一定的催化活性,但容易被氧化,难以用于反应温度高的乙烷氧化脱氢反应.本文报道了羟基化的氮化硼(BNOH)可高效催化乙烷氧化脱氢制乙烯.氮化硼边沿羟基官能团脱氢生成了动态活性位,从而引发了乙烷的脱氢反应.BNOH对乙烷氧化脱氢制乙烯显示出高选择性.当乙烷转化率在11%,乙烯选择性可高达95%;当乙烷转化率增加到40%,乙烯选择性保持在90%.重要的是,当乙烷转化率超过60%时,BNOH仍然可保持80%的乙烯选择性以及50%的乙烯收率.这些性能指标与现有工业乙烷水蒸气裂解过程运行性能相当.进一步优化反应条件,BNOH催化剂能够实现高达9.1 gC2H4 gcat-1 h-1的时空收率.经过200 h的氧化脱氢反应测试,BNOH催化剂活性和选择性基本恒定,表明其具有非常好的稳定性.X射线粉末衍射结果显示,反应前后BNOH催化剂的物相没有发生变化.透射电子显微镜测试证实,反应后BNOH催化剂的形貌和微观结构也没有明显改变.X射线光电子能谱结果显示,反应200 h后BNOH催化剂表面的氧含量仅从反应前的6.9 atom%微增到8.3 atom%.1H固体核磁共振谱测试显示,反应200 h后,BNOH催化剂上羟基含量无明显改变.结合原位透射红外光谱和同位素示踪实验,初步确定了BNOH催化剂上引发乙烷氧化脱氢反应的活性中心.氮化硼边沿的氧官能团并不能引发乙烷的氧化脱氢反应,而羟基官能团才是氧化脱氢反应发生的活性位.在乙烷氧化脱氢条件下,分子氧脱除羟基官能团上的氢原子动态生成BNO·?和HO2·?活性位.密度泛函理论计算表明,乙烷首先在BNO·?或HO2·?位活化生成乙基自由基,这些中间物进一步与气相氧物种发生反应脱氢生成乙烯.动力学测试结果也验证了上述实验和理论结果.
关键词:
氮化硼
,
羟基化
,
乙烷
,
氧化脱氢
,
乙烯
