Mo基复合金属氧化物催化剂应用于丙烷选择氧化制丙烯醛

摘要

丙烷是一种储量丰富,价格相对便宜的化工原料。从丙烷出发制备各种具有高附加值的含氧化合物一直受到产业界与学术界的广泛关注。丙烷选择氧化制备丙烯醛反应的研究有着非常重要的理论意义与应用价值。目前适合于工业生产的催化剂有待研究开发,关于丙烷选择氧化制丙烯醛反应的机理与相关催化剂构效关系的研究还较薄弱,因此开展相关的研究尤为重要。 目前绝大多数应用于丙烷选择氧化制丙烯醛的催化剂体系主要是以Mo-V体系为基础的多元素掺杂催化剂,其中最佳催化剂为Mo-V-Te-P-O催化剂,得率最高达到21.9％。由于丙烯醛的不稳定性和V的强氧化性(或较强酸性),该体系在丙烯醛的研究中仍没有得到具有可工业化的催化剂。因此,在催化剂设计上,考虑在原含Mo催化剂的基础上寻找可以取代V元素的掺杂组分,经过改性掺杂与大量的筛选工作,期望可以得到具有较为温和的氧化性的催化剂,对丙烯醛的生成有较好的效果。 本文的第二章介绍了Mo-Mn-Fe-M-O(M=Co、Bi),Mo-Cr-Te-Bi-O四组分复合金属氧化物催化剂应用于丙烷选择氧化制备丙烯醛反应的催化性能。实验证明以Mo-Mn-Fe-O三组分催化剂为基础Co元素与Bi元素的添加抑制了对丙烷的活化。通过XRD看到Co元素与Bi元素的添加使催化剂Mo-Mn-Fe-O中对丙烷的活化有积极作用的α-MnMoO4相发生相变成为MnMoO4相,这也是Co元素与Bi元素的添加抑制丙烷活化的可能原因。以Mo-Cr-Te-O三组分催化剂为基础掺杂Bi元素会抑制丙烷的活化,导致丙烷转化率的下降：少量的Bi元素可以提高丙烯醛的选择性,而过量的Bi元素会增加丙烷的裂解反应。 本文的第三章考察了Mo-Cr-Te-Co-P-o五组分、Mo-Cr-Te-Co-P-K(Cs)-O六组分复合金属氧化物催化剂应用于丙烷选择氧化制备丙烯醛反应催化性能。在不同反应温度和不同Te元素、Co元素含量等条件下,P元素的添加对催化剂催化性能的影响不同。在较低的反应温度下,P元素掺杂于Mo-Cr-Te-Co-O催化剂有利于提高催化剂对丙烷的活化能力,得到的主要产物为丙烯酸。在较高的反应温度下,P的加入对催化性能的影响与Te、Co、Cr等的含量有关。当Te、Co元素含量均较低时,低比例的P元素掺杂有利于提高催化剂对丙烷的活化能力与对丙烯醛的选择性；当Co元素含量较高时,低比例的P元素掺杂有利于提高催化剂对丙烷的活化能力与丙烯酸的选择性；当Cr、Te元素含量较高时高比例的P元素掺杂可以非常有效的提高催化剂对丙烷的活化能力与对丙烯醛的选择性,并得到最高丙烯醛得率34.71％,如此高的丙稀醛得率目前尚未见报道。P元素的添加形成了P3+/P5+离子对,提高了催化剂的插氧能力,有利于丙烯醛与丙烯酸的生成。通过调节P元素与其他元素的掺杂比例可以分别得到高选择性的制备丙烯醛与丙烯酸的催化剂。P元素的添加可以提高催化剂Mo5+的比例,改善催化剂氧化还原性质。较高的Cr元素掺杂含量会提高催化剂对丙烯醛的选择性,但是掺杂较高量的Cr元素会降低催化剂丙烷转化率。在Mo-Cr-Te-Co-P-O催化剂体系中掺杂较低比例碱金属元素K会降低催化剂丙烷转化率与丙烯醛的选择性,并生成一定量的丙烯。通过XRD、H2-TPR和XPS等对催化剂表征,发现催化剂中Mo6+/Mo5+离子对可以起到搭建催化剂基本骨架结构与平衡电荷的作用；表面Co3+=O端基对丙烷分子的活化有重要作用；而Co3+/Co2+离子对则作用于深度氧化与选择氧化过程中的氧物种传递。本文的第四章探讨了制备条件对催化剂结构与催化性能的影响。从总体上看制备条件对催化剂活化丙烷能力的影响较大,而对催化剂丙烯醛选择性的影响相对较小。对于催化剂MoCr0.0429Te0.20Co0.05P0.20On,较高的反应温度前驱体溶液pH=3的催化剂丙烷转化率远高于其他前驱体溶液pH下制备的催化剂,从而导致其他前驱体溶液pH下制备的催化剂丙烯醛得率的大幅下降,而对于催化剂MoCr0.0429Te0.15Co0.20P0.15On前驱体溶液pH值对催化剂影响较小。对于催化剂MoCr0.0429Te0.20Co0.05P0.20On当焙烧时间不高于2.0小时,较低的焙烧温度有利于得到较高丙烯醛得率的催化剂,而过高的焙烧温度会导致催化剂丙烷转化率的下降,催化剂的活性相发生相变可能是导致此结果的主要原因。当焙烧时间超过2.0小时较高的焙烧温度有利于得到较高丙烯醛得率的催化剂,催化剂在这样的焙烧条件下可能形成同样具有催化活性的某种新相。同时优化了反应条件,实验发现提高反应气体空速可以提高催化剂丙烯醛选择性,但是同时会大幅降低催化剂丙烷转化率。空速为750 h-1,反应气比例为C3H8:O2=1:1.6时为催化剂最佳反应条件。 最后,对全文进行总结。 综上所述,本文通过大量的实验筛选优化,开发出MoCr0.0429Te0.20Co0.05P0.20On催化剂,得到了目前最高丙烯醛得率34.71％,初步讨论了影响构效关系,为进一步实现工业化打下坚实基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

第一节绪论

第二节研究背景

1.2.1丙烷选择性氧化催化剂的概况

1.2.2丙烷选择氧化的机理

1.2.3关于丙烷选择氧化MMO型催化剂活性相的概述

1.2.4 Mo基复合金属氧化物催化剂中掺杂元素的作用研究的概述

第三节立体依据与研究方向

1.3.1立体依据

1.3.2研究内容

参考文献:

第二章四组分催化剂的制备和表征

第一节催化剂的制备与评价

2.1.1实验试剂

2.1.2催化剂制备

2.1.3催化剂评价

2.1.4催化剂的表征

第二节四组分催化剂评价结果与讨论

2.2.1 MoMn0.30FexCoyOn体系

2.2.2 MoMn0.30FexBiyOn体系

2.2.3 MoCr0.0429TexBiyOn体系

第三节四组分催化剂的相结构分析与讨论

2.3.1 Mo-Mn-Fe-Co(Bi)-O体系

2.3.2 Mo-Cr-Te-Bi-O催化剂体系

参考文献:

第三章五、六组分催化剂的制备与表征

第一节催化剂的制备与评价

3.1.1实验试剂

3.1.2催化剂的制备与评价

3.1.3催化剂的表征

第二节五、六组分催化剂评价结果与讨论

3.2.1MoCr0.0286TexCoyPzOn体系

3.2.2MoCr0.0429TexCoyPzOn体系

3.2.3 MoCrxTeCoPOn体系

3.2.4 MoCr0.0429TexCoyPzK(Cs)pOn体系

第三节MoCrTeCoPO催化剂的表征与讨论

3.3.1催化剂比表面积的分析

3.3.2 MoCrxTeyCozPpO催化剂体相结构与分析

3.3.3 MoCrxTeyCozPpO催化剂还原性能分析

3.3.4 MoCrxTeyCozPpO催化剂表面的分析

参考文献:

第四章制备条件与反应条件的影响

第一节实验条件与方法

4.1.1催化剂的制备方法

4.1.2催化剂的评价方法

4.1.3催化剂的表征方法

第二节制备条件对催化剂的影响

4.2.1催化剂前驱体溶液pH值的影响

4.2.2焙烧条件的影响

4.2.3空速与反应气比例的影响

第三节焙烧条件对催化剂结构影响的初步探讨

4.3.1焙烧条件对催化剂相结构的影响

4.3.2焙烧条件对催化剂氧化还原性质的影响

参考文献:

全文总结

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢