过渡金属氧化物纳米介孔材料在丙烷选择氧化脱氢制丙烯反应中的研究

摘要

丙烷是一种不活泼的烷烃，大量存在于天然气、油田轻烃、炼厂气中。丙烷选择氧化是利用储量相对丰富的天然气资源替代石油产品的化工生产途径之一，在天然气工业中有着极其重要的意义。目前人们对丙烷氧化脱氢反应已经进行了广泛的研究，并且研制了不同体系的催化剂体系，丰富发展了应用化学和化学反应工程学理论。虽然丙烷氧化脱氢制丙烯的反应为较低温度下的放热反应，热力学上容易进行，可大大降低能耗。但从目前的研究结果来看，丙烷在反应中容易被深度氧化生成CO、 CO2等副产物，或者生成插氧产物而使丙烯的产率降低。目前，应用于PODH反应的催化剂体系还处在研究阶段。由此，对丙烷氧化脱氢反应中的活性位的研究以及影响丙烷产生不同反应方向（选择氧化方向和深度氧化方向）的因素的探索对指导开发高活性、高丙烯选择性催化剂有重要意义。
　　本文选择了可以活化丙烷的过渡金属元素(V、Mo、Mn、Cu、Cr、W)为主要活性物种，针对目前催化剂在丙烷选择氧化中仍然亟需解决的问题，开展了以纳米晶催化剂体系以及介孔过渡金属氧化物催化剂体系在丙烷氧化脱氢反应中的研究。通过对不同样品体相/表面特性、氧化物晶体结构、不同元素物种聚集形式、分布和价态、以及催化剂表面酸性质及氧物种等的表征与分析，从宏观和相对较微观领域对活性位和催化性能进行了细致的研究。具体章节内容如下:
　　第一章归纳分析了丙烷氧化制丙烯的应用价值以及研究现状。详细总结了不同活性物种在催化反应中的特性，并阐述了该课题当今存在的问题和局限性。
　　第二章介绍了本论文中采用的实验试剂、实验方法以及催化剂表征手段。
　　第三章中，利用水热合成法成功合成了一系列Zr-M(M=V、Mo、Fe、Mn、Mg、Nb)纳米晶催化剂。该制备方法可很好地分散活性组分。本章挑选不同元素掺杂应用于丙烷氧化脱氢反应中，得到不同的催化活性，而Zr-V体系催化剂对丙烷有最高的催化活性（21.3％的丙烯得率）。并且，本章对催化剂的氧化还原性、催化剂表面的酸性质（酸种类以及Brφnsted酸的产生原因）与PODH反应进行了构效关系的研究。
　　第四章通过硬模板法成功合成了介孔Mn2O3。并且以此作为载体，在其表面负载了V，Mo和Cu元素，进行PODH反应后得到了不同的催化活性数据。以丙烷和丙烯为探针分子通过原位红外实验研究了在催化剂表面氧化反应的反应路径;并通过原位IR和XPS等表征手段分析催化剂表面的酸性质和氧物种的改变，发现催化性能和催化剂表面的酸性质以及催化剂表面的氧物种有密切的关系。初步阐明了不同的元素氧化物，及其表面氧物种（种类、分布及活泼性等）促使丙烷氧化反应朝着不同的反应路径（完全氧化反应和选择氧化反应）的原因。
　　第五章中，考察了W/MgO催化剂和M-W/MgO催化剂(M=V、Cr、Mn)在PODH反应中的催化性能。通过拉曼、紫外可见和CO2-TPD实验对催化剂表面聚集态和表面氧物种进行了初步研究，但是仍有一些问题需要课题组在下一步工作中解决。例如W的插氧作用及表面负载量、表面氧物种与酸性质关系、以及它们对催化反应途径的影响。