二氧化碳直接制备高值化学品中的接力催化方法

利用可再生氢气实施CO_2直接加氢生成低碳烯烃或芳烃等基础化学品可同时实现碳减排和CO_2的资源化利用.然而,由于CO_2的C=O键难以活化且生成多碳产物的C-C偶联难以控制,导致CO_2加氢易生成C_1产物,选择性转化为多碳化学品较困难. 2016年,我国科学家报道了利用复合氧化物与分子筛耦合的双功能催化剂接力催化合成气制备低碳烯烃和芳烃的新路径.受此启发,近期接力催化CO_2为低碳烯烃和芳烃的研究报道不断涌现.本文概述了近年有关应用双功能催化剂催化CO_2加氢制高值化学品的研究进展,阐述了如何串联两个"性格"迥异的反应,并讨论了双功能催化剂上影响催化性能的关键因素.     

CO_2催化还原转化为高附加值化学品

CO_2是一种对大气环境有重要影响的温室气体,同时又是一种廉价的碳源.合成氨工业中用NH_3和CO_2反应生成尿素和碳酸氢铵是CO_2大规模利用的典范.近年来研究表明,在高效催化剂的作用下,CO_2可以作为原料参与精细化学品的合成,如CO_2与H_2(或有机硅)和胺反应可以生成N-甲酰胺和N,N-二甲基胺类化合物.同时,CO_2还可以作为原料参与大宗基础化学品的合成,如CO_2用H_2(或有机硅烷)还原可以生成甲(乙)酸,CO_2和H_2在不同反应条件下可以生成低碳烯烃或甲醇等高附加值的化学品,这为CO_2的转化和利用开辟了新途径.本文对近年来CO_2与H_2(或有机硅烷)和胺反应生成N-甲酰胺和N,N-二甲基胺类化合物、H_2(或有机硅烷)还原CO_2生成甲酸、CO_2和H_2生成低碳烯烃和甲醇的一些高效催化剂体系、催化反应工艺条件、催化反应机理等方面的研究进展进行了归纳、评述和展望,以期对开发CO_2催化转化为高附加值化学品的新工艺提供参考.     

Cu-Fe基催化剂上合成气直接制取低碳烯烃的研究

我们采用浸渍法制备了γ-Al2O3负载的Cu-Fe基催化剂,并结合其反应性能和XRD、H2-TPR和XPS等表征结果研究了其催化合成气直接制低碳烯烃的反应行为.结果表明,合成气直接制低碳烯烃Cu-Fe基催化剂的活性组分Cu和Fe之间存在明显的协同效应,Cu-Fe基催化剂表现出优异的合成气直接制低碳烯烃反应性能;Cu基催化剂中引入少量Fe组分明显提高了活性组分Cu的分散度,促进了Cu活性组分的还原,进而有利于催化剂反应性能的改进.初步推断Cu-Fe基催化剂上合成气转化生成低碳烯烃的主要反应历程为CO加氢生成含氧化合物(醇醚等)后再脱水生成低碳烯烃.     

C_5烃催化裂解过程中氢转移反应的研究

对C_5烃(正戊烷、1-戊烯)的裂解反应产物进行分析,按照理想正碳离子和自由基反应机理,正戊烷和1-戊烯裂解生成低碳烯烃(C_2H_4+C_3H_6+C_4H_8)的摩尔选择性分别达到50%和100%。但是使用MFI-30分子筛,在650℃反应条件下,正戊烷和1-戊烯催化裂解生成低碳烯烃的摩尔选择性分别为23.41%和56.79%,说明分别有26.59%和43.21%的低碳烯烃发生了氢转移反应。进一步考察了不同类型分子筛和关键反应温度对C_5烃催化裂解过程中氢转移反应的影响,研究发现,小孔结构、低酸密度的分子筛和较高反应温度,可以不同程度地抑制氢转移反应,提高低碳烯烃的选择性。在650℃条件下,当分子筛由大孔结构、高酸量的FAU更换为小孔结构、低酸量的MFI-120时,正戊烷和1-戊烯催化裂解的氢转移系数HTC分别减小96.86%和50.58%,焦炭选择性分别由11.91%和20.77%减小到0.75%和0.89%,低碳烯烃(C_2H_4+C_3H_6+C_4H_8)的选择性分别由14.25%和25.14%增加到46.28%和62.58%。     

CO_(2)加氢制甲酸理论研究及高效铁基催化剂设计北大核心CSCD

CO_(2)加氢制甲酸由于需同时活化惰性氢气及CO_(2)而富有挑战性,同时此过程原子经济性100%,具有很好的理论和现实研究价值,但文献中报道的活性较好的催化剂均为贵金属催化剂.为了开发活性更高的用于CO_(2)加氢制甲酸的铁基催化剂,我们采用理论计算方法研究了12种不同种类的PNP-Fe(PNP=2,6-(二-叔丁基-磷甲基)吡啶)化合物催化CO_(2)加氢制甲酸的过程.理论研究结果表明,CO_(2)加氢制甲酸反应过程包括H2活化及CO_(2)插入金属氢键两个步骤,H_(2)活化过程是整个反应的速控步骤.催化剂吡啶环上进行P原子取代可以显著降低H_(2)活化能垒.基于以上发现,我们设计了一种新颖的高效铁基催化剂,使用此催化剂催化CO_(2)加氢制甲酸反应,速控步骤能垒只有85.6 kJ/mol,催化活性与贵金属的比较接近.我们研究的12种铁基催化剂速控步骤能垒范围为85.6~126.4 kJ/mol,显示了配体良好的调控催化活性能力.     

人工固碳技术—热催化还原CO_(2)催化剂的研究进展北大核心CSCD

选择性加氢在功能材料合成和化学产品提纯等化工领域中有非常重要的应用,并且近年来为减少温室效应的影响,将CO_(2)催化选择性加氢转化成其他有应用价值的物质成为研究热点之一。其中热催化是应用较为广泛、易得到多种目标产物并且获得产品收率较高的方法。目前,利用CO_(2)多相热催化加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃等多种高价值的燃料和化学品已取得了一定进展,但仍存在一些难点问题,其中制备高效催化剂是催化加氢反应的关键问题之一。一直以来,研究人员致力于解决催化剂的活性和选择性问题,通过助剂掺杂和加入功能性载体对催化剂进行改性。针对这些问题,本文简要介绍了CO_(2)催化加氢的研究背景,总结了近5年来热催化CO_(2)加氢制得甲烷、甲醇、轻烯烃产品过程中使用催化剂的种类及对加氢反应的影响,期望为CO_(2)多相催化加氢中新型催化剂的开发提供参考。     

改性H-ZSM-34上氯甲烷催化转化制低碳烯烃

比较了几种典型的沸石分子筛在氯甲烷转化制乙烯、丙烯和丁烯等低碳烯烃反应中的催化性能, 发现H-ZSM-34具有较佳的催化活性和选择性. 经乙二胺四乙酸二钠(Na₂H₂EDTA)水溶液处理, 并经离子交换及焙烧后, H-ZSM-34上氯甲烷转化制低碳烯烃的催化性能显著改善. 当Na₂H₂EDTA浓度为0.1 mol/L, 反应温度为673 K, CH₃Cl分压9.2 kPa时, C₂-C₄烯烃选择性和收率分别达82%和61%. 研究还发现, Ce修饰H-ZSM-34催化剂同样可改善氯甲烷制低碳烯烃的选择性和收率. 表征结果表明, Na₂H₂EDTA处理和Ce修饰均降低了H-ZSM-34的酸性. 酸性的降低可抑制低碳烯烃的氢转移反应, 继而避免了其进一步转化为低碳烷烃.     

基于密度泛函理论下H_2S在单原子催化剂V/Ti_2CO_2上的分解机理研究

解析工业脱硫气中硫化氢与催化剂的相互作用机制及其分解机理对于开发处理H_2S气体的催化剂具有重要意义。本研究采用密度泛函理论计算方法研究了H_2S分子在单原子催化剂(SACs,Ti和V原子负载的单层MXene-Ti_2CO_2)表面上的吸附和催化解离行为。分波态密度(PDOS)、电荷分析以及差分电荷密度的结果表明:单原子Ti和V的负载导致了Ti_2CO_2表面上的电荷进行重新分配,并且显著改善了H_2S分子与Ti_2CO_2之间的相互作用,从而提高SACs的催化活性。为了深入理解硫化氢分子的催化处理过程及其分解机理(H_2S→HS~*+H~*→H2+S~*),本研究对硫化氢分子在Ti/Ti_2CO_2和V/Ti_2CO_2表面上的分解反应路径进行了对比分析。结果表明:硫化氢分子在被Ti和V负载的Ti_2CO_2表面上都能够自动解离形成-HS基团和一个质子(HS~*/H~*),而且在V负载的Ti_2CO_2的SACs上,整条路径的速率限制步骤所要跨越的能垒低至0.28e V,该结果表明H_2S分子可在室温下能容易地被单原子催化剂V/Ti_2CO_2解离成H_2分子和S原子,而且S原子能够在该催化剂表面团聚形成稳定的单质硫,从而完成催化循环。此外,使用该SACs催化剂分解H_2S,相比于已经报道过的其它体系的催化剂,无论是在可持续经济角度还是处理能力方面都有较好的应用前景。综上所述,我们发现V负载的Ti_2CO_2催化剂能够高效催化分解硫化氢气体。     

三核钨钼簇合物对苯乙烯氧化反应的催化

关于烯烃的催化氧化,报道较多。Takao等研究了苯乙烯在Ir和Rh络合物存在下的氧化反应;Collman曾报道环己烯在Vaska络合物[IrX(CO)(PPh_3)_2]催化下氧化成环己酮和环已烯氧化物。本文采用Cotton合成的簇合物[W_3O_2(CH_3CO_2)_6(H_2O)_3]Br_2·     

Zn助剂对铁基催化剂费托合成制低碳烯烃性能的影响（英文）

低碳烯烃(C_2~=–C_4~=)是十分重要的基础化工原料,目前主要采用热裂解或催化裂解石脑油、蜡油等工艺路线生产.近年来,针对全球范围的石油危机及我国富煤贫油这一基本的国情,以煤、天然气(页岩气)和生物质等丰厚的碳资源,经合成气制取低碳烯烃的工艺路线备受关注.其中,合成气经由甲醇或二甲醚间接制取烯烃技术(MTO/MTP)已经工业化;与之相比,费托合成直接生产低碳烯烃(FTO)工艺流程短、投资和操作费用低,具有良好的工业发展前景.目前,费托合成催化剂活性组分的研究主要集中于Fe,Co,Ni和Ru等元素,其中Fe基催化剂具有较高低碳烯烃选择性、较低甲烷选择性和制造廉价等优势,更适合于FTO反应.最近,人们大多聚焦于对负载型铁基催化剂的研究,但传统非负载型铁催化剂由于其制备简单、价格低廉,仍然具有巨大的开发前景.近来,我们组报道了采用微波水热法制备的Zr助剂改性Fe-Zr催化剂应用于CO加氢研究,提高了催化剂的活性,与传统Mn改性铁基催化剂相比,CO_2选择性明显降低.目前,已有研究小组对Zn助剂提高铁基催化剂烯烃选择性进行报道,但反应过程中的严重积碳问题却少有研究.我们在Fe-Zr催化剂的基础上,进一步研究了Zn助剂在提高铁基催化剂低碳烯烃选择性、改善产物分布和降低反应过程积碳方面的作用.我们分别采用微波水热法和浸渍法对铁基催化剂进行了Zn改性,并将其用于费托合成制取低碳烯烃反应.运用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N_2物理吸附(BET)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)技术手段对催化剂的物理和化学性质进行了表征.结果表明,两种方法改性后的铁基催化剂具有高低碳烯烃选择性和稳定性,重质烃(C_5~+)含量降低,且保持低CO_2选择性.此外,采用两种方法 Zn改性的铁基催化剂展现出了不同的特性.XRD结果表明,反应前两种方法制备的样品α-Fe_2O_3物相晶粒大小均为15–18 nm,反应后浸渍法制备的样品对应物相(ZnFe_2O_4)晶粒大小约为25 nm、而微波水热法制备的样品约为20 nm,说明微波水热法改性的催化剂有效分散了Fe活性组分;H_2-TPR结果显示,两种Zn助剂加入方法对催化剂Fe组分的还原行为有不同程度影响,体现了活性组分间不同的相互作用;XPS结果表明,Zn助剂改变了催化剂Fe活性位的化学性质,在微波水热法制得催化剂的表面Zn含量更低、分散度更高,而Zn助剂的加入对Zr组分没有明显影响.所有催化剂经200 h在线活性测试后,采用传统浸渍法制备的催化剂表面有大量积碳生成;而采用微波水热改性铁基催化剂积碳量明显减少,表现出更高的催化活性与稳定性.     

EFFECTS OF BINDERS ON THE PRODUCTION OF LIGHT ALKENES FROM SYNGAS OVER K-Fe-MnO/SILICALITE-2 CATALYST Ⅱ. MODIFICATION EFFECT OF Al_2O_3 BINDER ON CO HYDROGENATION

lntroductionInordcrtoselcctivcl}'produccIightoIcfinsfroms}'ngas.thcbinderusedforimprovingthecatal}'ststrcngthshouldbcfavorabIcforprimary'formingofligl1tolcfinsfroms}ngasandforprohibitingsidereactionsoflightoIcfi.sIll.lthasbccnshownthattheundesirablcstrengthofsilicalitc-2zcolitccanbcimprovcdb}addingbindcrs.Hot`ycver.thcadditionofthcbinder`"illcauscsomcchangcsinthcph}'sical-chcmicalstatcofthecatal}ticactivemetalas``cllasitscatal}ticbcha.io,ll'2I.InourprcviouspaperTiO2wasprovedtobcadcsirablcbi…     

Fe—Silicalite—2催化剂表面CO2加氢反应性能的研究

研究了Ｆｅ／Ｓｉｌｉｃａｌｉｔｅ－２催化剂ＣＯ２加氢低碳烯烃反应性能，利用ＣＯ２－ＴＰＤ，ＣＯ２／Ｈ２－ＴＰＳＲ和ＣＯ／Ｈ２－ＴＰＳＲ表征手段，考察了铁含量及ＭｎＯ助剂对Ｆｅ／Ｓｉｌｉｃａｌｉｔｅ－２催化剂ＣＯ２吸附脱附及加氢反应性能的影响，表明随铁含量增加可提高催化剂对ＣＯ２的吸附能力，有利于提高ＣＯ２加氢反应的转化率。     

PRODUCTION OF LIGHT OLEFINS FROM CO_2 HYDROGENATION OVER Fe/SILICALITE-2 CATALYSTⅢ. PROMOTION EFFECT OF K_2O PROMOTER

ThisprojectissllpportedbytheNationalNaturalScienceFotmdationofChina.IntroductionRecentstUdyonCOZhydrogenationfortheformationofhydrocarbonshascausedagreatinterest,especiallyintheproductionoflightalkenes.msreactionwillprovideanalternativeroutetoproducebasic…     

PRODUCTION OF LIGHT OLEFINS FROM CO2 HYDROGENATION OVER Fe/SILICALITE-2 CATALYST. I.CATALYTIC REACTIVI-FY AND REACTION MECHANISM

K-Fe-MnO/Silicalite-2 is a desirable catalyst for the production of light olefins from CO2 hydrogenation The activity can be improved greatly with increasing the Fe loading, and the selectivities to hydrocarbons rise with Fe loading increase However, an ambiguous effect of Fe loading on the selectivity of light olefin in hydrocarbon products is observed. The CO2 hydrogenation containing a two-step mechanism CO2+H2=CO+H2O, a reversible water gas shift reaction, and CO+(m/2n+1)H2 =1/nCnHm+H2O2, a Frscher-Tropsch reaction, is suggested by the results of CO2-TPD and CO2/H2-TPSR as well as CO/H2-TPSR characterizations.     

PRODUCTION OF LIGHT ALKENES FROM CO AND/OR CO_2 HYDROGENATION OVER K-Fe-MnO/SILICALITE-2 CATALYST

High selectivity to light alkenes can be achieved from CO and CO_2hydrogenation over K-Fe-MnO/Si-2 catalyst.The alkene selectivity isinsensitive to reaction temperature for CO hydrogenation,while apparentlyincreases for CO_2 hydrogenation with raising reaction temperature.An increasein alkene selectivity is observed for both CO and CO_2 hydrogenation with GHSVrising,While a decrease with the elevation of reaction pressure for both CO/H_2and CO_2/H_2 reaction.A two-step mechanism is suggested forCO_2 hydrogenation to form hydrocarbons,by which the variations incontributions of CO and HC as products of CO_2/H_2 reaction with change ofreaction temperature,GHSV and pressure are explained.Moreover,thecatalyst is favorable for selective production of light olefins,which can alsoconcern the slightly secondary reactions of light olefins to some extent.     

EFFECTS OF BINDERS ON THE PRODUCTION OF LIGHT ALKENES FROM SYNGAS OVER K-Fe-MnO/SILICALITE-2 CATALYST I. EFFECT OF VARIOUS BINDERS ON CO HYDROGENATION

The performance of the K-Fe-MnO/Si-2 catalyst for the production of light olefins via Co hydrogenation changes obviously with the addition of binders. The results of CO hydrogenation. TPR, Mossbauer spectra CI0TPF, CO/H2-TPSR and C2H4/H2-TPSR are employed to investigate the effects of various binders on the physical-chemical states and catalytic behaviors of K-Fe-MnO/Si-2 catalyst to produce light olefins via syngas, TiO2 can promote the reduction of Fe and strengthen the adsorption of CO resulting in raising olefin selectivity. Other binders such as Al2O3, SiO2, MgO, once added into the catalyst, may cause formation of inorganic salts between FeO and Binders leading to a decrease of Fe reduction and a loss of olefin selectivity for CO hydrogenation. Especially, For K-Fe-MnO/Si-2 catalyst with Al2O3 binder directly, the strong secondary reactions of ethylene during CO hydrogenation cause a very poor light olefin selectivity, which will be improved greatly by modifying Al2O3.     

Carbonylation of styrenes catalyzed by bioxazoline Pd(II) complexes: mechanism of enantioselectivity

Preliminary studies of the elementary steps involved in the reaction of a chiral methyl carbonyl bioxazoline Pd(II) complex with aromatic olefins and CO have allowed development of a new enantioselective catalytic carbonylation process, leading to γ-ketoester derivatives with high yield and good enantiomeric excess. The intermediate palladacycle complexes have been isolated and characterized by NMR spectroscopy and X-ray diffraction. Factors that govern the stereoselectivity of the olefin carbonylation process are discussed.     

Room-temperature regioselective C-H/olefin coupling of aromatic ketones using an activated ruthenium catalyst with a carbonyl ligand and structural elucidation of key intermediates

Mechanistic studies of the ruthenium-catalyzed reaction of aromatic ketones with olefins are presented. Treatment of the original catalyst, RuH(2)(CO)(PPh(3))(3), with trimethylvinylsilane at 90 °C for 1-1.5 h afforded an activated ruthenium catalyst, Ru(o-C(6)H(4)PPh(2))(H)(CO)(PPh(3))(2), as a mixture of four geometric isomers. The activated complex showed high catalytic activity for C-H/olefin coupling, and the reaction of 2'-methylacetophenone with trimethylvinylsilane at room temperature for 48 h gave the corresponding ortho-alkylation product in 99% isolated yield. The activated catalyst was thermally robust and showed excellent catalytic activity under refluxing toluene conditions. (1)H and (31)P NMR studies of the C-H/olefin coupling at room temperature suggested that an ortho-ruthenated complex, P,P'-cis-C,H-cis-Ru(2'-(6'-MeC(6)H(4)C(O)Me))(H)(CO)(PPh(3))(2), participated in the reaction as a key intermediate. Isotope labeling studies using acetophenone-d(5) indicated that the rate-limiting step was the C-C bond formation, not the C-H bond cleavage, and that each step prior to the reductive elimination was reversible. The rate of C-H/olefin coupling was found to exhibit pseudo first-order kinetics and to show first-order dependence on the ruthenium complex concentration.     

EFFECTS OF BINDERS ON THE PRODUCTION OF LIGHT ALKENES FROM SYNGAS OVER K-Fe-MnO/SILICALITE-2 CATALYST Ⅰ. EFFECT OF VARIOUS BINDERS ON CO HYDROGENATION

Intr0ductionRcccntl}.n1uchprogrcsshasbcc11n1adcinthcscIcctivcCOh\'drogcnationproducingliglltolcfinsvIas}'ngasb}'dct'clopingasilicalitc-2zcolitcsupp0rtcdFccatal\'st.Ithasbccllshox\llthatasilicaIitc-2zcoIitcsupportcdFccatal\'stpromotcdb}'aIkalin1ctalandMnOdispla}sadcsirabIcolcfil1sclccti\'it}(asl1ighas7()%)andadcsirablcCOcont'crsion(muchhighcrthan7O%)\\ithabett.,rcactionlifconst,ca.I1~31.Ho\\cvcr-thcundcsirablcstrcl1gthofSi-2zcolitcisunsuitabIcforitsapplicatiOninindustry-\\hichsIlouldbci…     

PRODUCTION OF LIGHT OLEFINS FROM CO_2 HYDROGENATION OVER Fe/SILICALITE-2 CATALYST Ⅰ.CATALYTIC REACTIVI-FY AND REACTION MECHANISM

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