担载型过渡金属催化剂上甲烷和乙烯的同系化反应

利用程序升温脉冲反应技术较系统地考察了担载型过渡金属催化剂上甲烷与乙烯同系聚合制丙烯和丙烷的反应，通过分步反应，即首先进行甲烷分解，然后引入了乙烯与甲烷分解产生的表面碳物种反应，可以克服甲烷与乙烯同系聚合物反应的动力学限制，使该反应能在较为温和的条件下进行，还系统地探讨了影响该反应的各种因素，结果表明，Ｐｔ，Ｃｏ催化剂表现出较为优越的催化性能。     

MoO3和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上短链烷烃燃烧反应的不同促进作用

贵金属Pt催化剂具有高活性和热稳定性,广泛应用于催化挥发性有机物的完全氧化反应(燃烧反应).短链烷烃(甲烷、乙烷、丙烷等)化学性质稳定,是最难氧化的一类有机物,常用作考察燃烧反应催化剂性能的模型反应物.然而,目前报道的研究工作通常仅限于针对某一种烷烃底物的催化燃烧,系统考察催化剂以及助剂对不同短链烷烃的催化燃烧活性鲜有报道.在短链烷烃中,甲烷只有C–H键;而其它烷烃除了C–H键;还有C–C键.因此,研究催化剂对甲烷、乙烷和丙烷燃烧反应催化性能的差异性,对于认识催化剂上C–H键和C–C键的活化具有非常重要的意义.本文制备了MoO3或Nb2O5修饰的Pt/ZrO2催化剂并用于短链烷烃的燃烧反应.研究发现,MoO3助剂对甲烷燃烧有明显的抑制作用,但对乙烷,丙烷和正己烷燃烧反应具有促进作用,促进作用随着烷烃碳链的增长逐渐增加;Nb2O5助剂对甲烷、乙烷、丙烷和正己烷燃烧反应均具有促进作用,然而促进作用随着碳链的增长而逐渐减弱.MoO3和Nb2O5助剂的不同促进作用与助剂影响催化剂表面酸性以及Pt物种的氧化或还原态有关.NH3-TPD结果表明,MoO3助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面强酸位点数量,而Nb2O5助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面中强酸位点数量.HTEM结果表明,两种助剂的添加都不会明显改变Pt物种的颗粒尺寸.在Pt-Mo/ZrO2催化剂上,MoO3覆盖部分Pt物种形成丰富的Pt-MoO3界面,促进了金属Pt物种和强表面酸性位点的生成,提高了丙烷燃烧反应活性;Pt-Nb/ZrO2催化剂上载体表面的部分Nb2O5被Pt物种包覆,使得生成的表面Pt-Nb2O5界面低于Pt-Mo/ZrO2催化剂,但由于催化剂表面酸性位的提升,也促进了丙烷燃烧反应活性的提高.XPS结果表明,在甲烷燃烧反应中,Pt-Nb/ZrO2催化剂上Ptn+物种能够更加稳定地存在,这可能是Nb2O5助剂提高Pt-Nb/ZrO2催化剂上甲烷燃烧活性的关键.而Pt-Mo/ZrO2催化剂上Ptn+物种在甲烷反应中可以更容易地被还原,并且由于MoO3的包裹导致暴露的Pt位点数量降低,使催化剂催化甲烷燃烧的活性受到抑制.可见,MoO3助剂更有利于C–C键活化,而Nb2O5助剂更有利于高键能的C–H键活化.综上,本文系统性地研究MoO3助剂和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上不同短链烷烃的燃烧反应的影响,证实了两种助剂的促进作用与碳链长度的关系是截然不同的.     

甲烷部分氧化制合成气Pt-Ni/Al~2O~3催化剂的研究

研究了Ni/Al~2O~3,Pt/Al~2O~3和一系列Pt-Ni/Al~2O~3催化剂对甲烷部分氧化制合成气的催化作用,发现Pt-Ni/Al~2O~3催化剂显示了比Ni/Al~2O~3和Pt/Al~2O~3更高的活性和稳定性。H~2-TPR,CO-TPD,CO~2-TPD,SEM,XPS和XRD等结果证明:Pt和Ni之间存在较强的相互作用,Pt和部分Ni形成固溶体合金并且Pt在催化剂表面富集。Pt和Ni之间的相互作用提高了催化剂的活性和稳定性,甲烷在Pt-Ni/Al~2O~3上的催化部分氧化具有不同于在Pt/Al~2O~3和Ni/Al~2O~3上的反应性能。     

添加贵金属的Ni/α-Al2O3催化剂甲烷部分氧化制合成气的研究

甲烷部分氧化制合成气因其高空速、高转化率、低H2/CO比而引起人们的重视[1～5].本文研究了在Ni/α-Al2O3催化剂中添加的Rh、Ru、Pt和Pd等贵金属在甲烷部分氧化制合成气反应中的催化作用,重点研究了添加Pt对Ni/α-Al2O3催化剂反应性能的影响.     

Pt／SBA-15、Pt／SBA-16催化剂的合成、表征及甲烷催化燃烧性能

以Na2SiO3.9H2O为硅源,H2PtCl6为铂源,水热法一步合成了Pt质量分数约1%的Pt/SBA-15和Pt/SBA-16催化剂.采用XRF、XRD、HRTEM等方法对样品进行了表征.在微型固定床反应器中考察了催化剂的甲烷催化燃烧性能.结果表明:合成的Pt/SBA-15和Pt/SBA-16样品分别具有SBA-15和SBA-16的高度有序的介孔结构;通过这种简便、低成本的方法可将Pt颗粒高分散地引入到样品的孔道内;催化剂表现出了较好的甲烷催化燃烧性能,在常压、原料气为含3.5%CH4的空气和GHSV=6000mL/(gcat.h)的反应条件下,在大约580℃下甲烷即可完全转化.     

Pt/MgO 催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应

用浸渍法制备了Pt/MgO催化剂,并采用X射线衍射、X射线光电子能谱、透射电子显微镜和程序升温表面反应等技术对催化剂进行了表征.考察了催化剂对甲烷部分氧化制合成气反应的催化性能.结果表明,Pt/MgO催化剂具有较高的催化活性和选择性,甲烷转化率与合成气选择性在120 h内保持稳定.以金属状态存在的Pt对甲烷分解具有较高的活性,从而使催化剂对甲烷部分氧化反应具有较高的催化活性.活性组分Pt的存在状态和分散状态非常稳定,而Pt/MgO催化剂具有较强的抗积碳能力,使得催化剂在甲烷部分氧化制合成气反应中具有较高的稳定性.     

Pt/Al2O3和Pt/CeO2/Al2O3催化甲烷部分氧化制合成气反应

研究了Pt/Al₂O₃和Pt/CeO₂/Al₂O₃对甲烷部分氧化制合成气反应的催化活性,发现Pt/CeO₂/Al₂O₃显示了更高的甲烷转化率和合成气选择性.用H₂-TPR、H₂-TPD、SEM-EDX和XRD等技术对催化剂进行了表征.CeO₂和Pt相互作用促进Pt在催化剂表面的分散,抑制Pt在催化剂表面的迁移;降低了催化剂的燃烧活性,提高了催化剂的部分氧化活性和选择性,可避免因催化剂床层局部温度过高而导致催化剂活性下降或失活,提高了催化剂的稳定性.同时,CeO₂通过促进水汽变换反应使反应体系迅速达到平衡,提高了催化剂对H₂的选择性.     

K改性的Pt/Al2O3催化剂上CO氧化反应：反应动力学和红外光谱研究

CO氧化不仅具有重要的实用价值,而且在基础研究中被用于考察反应机理及催化剂结构敏感性等一些重要问题,因此,该反应在催化领域中具有重要意义. Pt基催化剂被广泛应用于CO氧化反应.其催化活性取决于催化剂的制备方法.其中,碱金属如Na、K等助剂的添加可有效促进催化活性,红外光谱证据表明,其促进作用在于碱金属的添加可降低CO与表面Pt原子的相互作用.尽管如此,催化剂上反应动力学证据却十分缺乏.反应动力学的研究可以提供一些本证反应信息如反应基元步骤、反应速率表达式以及反应机理等.通过对比不同催化剂之间的反应动力学行为,可以进一步解释碱金属对催化剂结构以及反应行为的影响.因此在本工作中,我们制备了一系列以K为助剂的Pt/Al2O3催化剂,并进行了CO氧化的反应动力学研究,考察了助剂对CO反应级数和反应活化能的影响.结合原位红外光谱表征,进一步揭示了助剂在反应中的作用.通过对比不同Pt和K含量的催化剂上CO氧化反应活性,我们发现, K的添加能促进反应活性,且随着催化剂中K含量的增加,促进程度越明显.例如,0.42K-2Pt/Al2O3上T50温度比对应的2Pt/Al2O3降低了30oC.不同催化剂上CO氧化的反应动力学实验表明,反应速率随着CO的分压的增加而降低;但随着O2分压的增加而增大.幂函数反应速率表达式推导得到的反应级数发现,对于含K的催化剂其CO的反应级数(约为–0.2)明显比不含K的催化剂(约为–0.5)中高,说明K的添加减弱了CO与表面Pt原子之间的吸附能力.但对O2的反应级数影响较小.例如：在0.42K-2.0Pt/Al2O3上反应速率表达式为r =6.55′10–7pco–0.22po20.63;而在2.0Pt/Al2O3上为r =2.56′10–7pco–0.53po20.70.表观反应活化能的计算表明,含K的催化剂上表观反应活化能较低,进一步说明K的添加有利于反应进行.根据反应速率表达式,我们进行了基元步骤的推导,并计算了反应动力学参数.结果发现,与不含K的催化剂相比,含K的催化剂中本征反应速率常数明显增加,而CO吸附平衡常数降低了一半,表明K的存在使CO在Pt表面上的覆盖度降低.我们还通过原位红外光谱对比了催化剂上CO吸附行为的差异.数据表明,与不含K的催化剂相比, K的添加一方面降低了CO在催化剂表面的吸附量(峰面积变小);另一方面显著降低了CO在Pt表面上的脱附温度,说明两者之间的相互作用力减弱.综上所述,通过反应动力学和红外光谱实验,我们认为K助剂与表面Pt原子相互作用后生成了较为稳定的Pt–O–K物种.尽管该物种的具体结构目前还不明确,但我们的实验证据表明,该物种的存在可以有效减弱CO与表面Pt原子之间的相互作用,降低CO的表面覆盖度并有利于O2在Pt表面的竞争吸附,从而降低了表面吸附的CO与O2之间反应的能垒,促进了反应性能.     

ZnCl2/粘土-SA01催化剂上二苯甲烷的合成

在环境友好ZnCl2/粘土-SA01催化剂上合成了二苯甲烷,较系统地考察了负载量、苯/苄基氯摩尔比、催化剂用量、反应温度、反应时间对该傅克反应的影响,并与催化剂的表面性质关联.实验结果表明,该催化剂具有良好的催化活性和稳定性并易于回收重复使用.     

高温Shilov甲烷转化反应的机理和反应动力学研究（英文）

传统的Shilov反应是以Pt Cl2作为催化剂在水溶液中实现甲烷转化的,该反应的条件温和,在低至80°C时即可将甲烷中非常稳定的C–H键活化.然而,如果将反应温度提高达100°C以上,催化剂Pt(II)则非常容易发生歧化反应转化为Pt(0)或者Pt(IV),其中Pt(0)将会以沉淀的形式存在于反应溶液中.所以该反应只能在较低的温度进行,Shilov体系也只能得到较低的甲烷转化率,因此如何避免高温时催化剂因沉淀失活成为了提高反应转化率的研究重点.本文重点考察了高温条件下Shilov体系的反应机理和反应动力学,从而寻求提高催化体系活性和稳定性的途径.我们在特殊设计的金管反应器中进行了一系列的H/D置换实验,通过GC根据产物不同的分子量来分析检测.实验中,利用特殊设计的金管反应器可将反应压力增加到25.5 MPa,此时甲烷的溶解度与常温条件下(~60°C)相比可被提高1000倍以上,因此甲烷的转化率大大提高.在高温(~200°C)条件下的Shilov体系的水溶液中添加了CD3COOD,F3COOD,D2SO4,DCl和一系列阳离子为[1mim]+的离子液体来考察它们对催化剂沉淀的抑制作用,结果发现,在140°C时添加30%CD3COOD可在少量催化剂存在的条件下就能够明显促进H/D交换,与Shilov的结论吻合.这可能是由于CD3COO基团的螯合作用造成的,但将反应温度升到150°C时则不可避免的生成了Pt(0)沉淀.而F3COOD却在较多催化剂的条件下仍未表现出明显作用,可能是因为F较强的亲电子性使得F3COO基团的螯合作用变弱所致.在140°C时,D2SO4和DCl均能有效抑制Pt(0)沉淀的生成,尤其是DCl,在185°C反应24 h后仍能够稳定水溶液中的Pt基催化剂,但是在该条件下D2SO4却并没有作用.我们还发现,Cl–的浓度与沉淀的抑制直接相关,浓度越高对Pt基催化剂的稳定作用越强,但质子浓度的增加则对沉淀现象没有太大影响,我们推断原因是大量的Cl-能够在[Pt Cl6]2–的共同作用下将Pt(0)重新转化为了[Pt Cl6]2–.在140°C进行反应时,各类离子液体的添加能够使Pt(0)沉淀得到抑制,但是对H/D交换率却没有影响,可能是因为离子液体与Pt基催化剂螯合形成了Pt-离子液复合物而削弱了催化活性.在此基础上,我们特别考察了Cl–浓度对催化剂沉淀的影响,发现在200°C时将Cl-浓度提高到一定程度,就能够完全抑制Pt(0)的生成,但Pt基催化剂的活性也会被同时削弱.由于高压金管反应器的应用和高浓度Cl–的添加,使得甲烷的转化率达到90%以上,因此,我们设计了H/D同位素交换实验来考察反应的活性和选择性,从而针对高温Shilov体系的反应动力学进行研究.反应在200°C时进行,催化剂为K2Pt Cl4,反应介质为30%CD3COOD和DCl的水溶液,实验产物中检测到了CH3D,CH2D2,CHD3和CD4四种甲烷的多重氘代同位素体,说明了交换反应中有多个C–H键被活化.在此基础上,为了对甲烷活化过程进行全面描述,我们建立了涵盖所有连锁反应在内的综合反应网络,其中包含了H/D交换过程中涉及到的一系列平行的一级反应,基于实验数据通过阿伦尼乌斯方程计算得到了全部反应的频率因子、活化能和化学计量系数等反应动力学参数.结果证明,由于甲烷中所有的C–H键均相同,因此多重氘代产物的生成在甲烷转化过程中是不可避免的.其中,甲烷的单一氘代反应活化能为29.9 kcal/mol,双重氘代反应活化能为29.8 kcal/mol,两者十分相近,因此甲烷活化后的单一氘代产物的选择性最高不会超过50%.     

担载型过渡金属催化剂上CH4＋C2H4→C3H8反应的初步研究

担载型过渡金属催化剂上ＣＨ４＋Ｃ２Ｈ４→Ｃ３Ｈ８反应的初步研究阎子峰薛锦珍沈师孔①王弘立（中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室，兰州７３００００）关键词甲烷同系化过渡金属催化剂乙烯１前言在均相催化体系中，甲烷与其它饱和烃类的反...     

STUDIES OF THE HOMOLOGATION OF METHANE ONSUPPORTED TRANSITION METAL CATALYSTS

Introduction0ncofthcintriguingpr0blcmsinhctcrogcncouscatal}'sisisthcactit'ationanddircctconversionofmcthancintoliquidfucIanduscful.h..i..l,lllMcthancactivationisvcry'difficultbccauscn1cthancisathcrmod}'namicalI}'stablccompoundt`ithanoblcgas-likcconfigurati0nThcvcry'strongtctrahcdralC-Hbonds(435kJ/mol)offcrnofiJnctionalgroups,magncticm0mcnts'orpolardistortionstofacilitatcchcmicalattackThismakcsmcthanelcssrcactivcthanncarl}'allitsconvcrsionproducts.Rccentl}'oxidativccouplinghasbecnconsidcrcda…     

担载型贵金属催化剂上甲烷直接羰基化反应

利用程序升温脉冲反应、恒温脉冲反应及探针分子表面反应技术较系统地考察了担载型贵金属催化剂上甲烷直接羰基化制乙醛的反应，研究发现通过采用总反应分解法操作后，能够克服甲烷直接羰基化反应的热力学限制，将总反应转化为两个可在较温和条件发生的反应，首次实现了CH4＋CO→CH3CHO的反应即首先进行甲烷的分解，然后引入CO与甲烷分解所产生的表面物种直接反应生成乙醛．本文还探讨了甲烷吸附条件，CO与甲烷分解所产生的表丙碳物种间的作用等反应的影响因素、探针分子CH3I的表面反应结果显示甲烷分解产生的CHx（ad）（x≤3）物种可能是该反应的活性中间体     

SiO2担载的过渡金属催化剂上甲烷直接羰基化反应

用程序升温脉冲反应技术，较系统地考察了担载型过渡金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）催化剂上，甲烷直接羰基化制乙醛的反应，研究发现，通过采用总反应分解法操作后，能够克服甲烷直接羰基化反应的热力学限制，将总反应转化为两个可在较温和条件下发生的反应，首次实现了ＣＨ４＋ＣＯ＝ＣＨ３ＣＨＯ的反应，即首先进行甲烷的分解，然后引入ＣＯ使其与甲烷分解所产生的表面物种直接反应生成乙醛，还探讨了甲烷吸附条件、ＣＯ甲烷分解所产生     

Effect of CO2/CO Addition in Dehydroaromatization of Methane on Zeolite-Supported Mo and Re Catalysts Towards Hydrogen, Benzene and Naphthalene

High activity and high formation selectivity for aromatics in the dehydrocondensation reaction of methane were realized only on selected catalysts. The requisites of a metal and a zeolite support as the selected catalyst were described. However, the catalytic activity steadily declined even on the selected catalysts with time on stream because of coke accumulation. A stable catalytic activity was obtained when CO₂ or CO was added into methane feed due to effective removal of coke from the catalyst surface by CO or CO₂. The route from methane to aromatics and the formation process of active phase of catalyst were discussed.     

Effect of CO2/CO Addition in Dehydroaromatization of Methane on Zeolite-Supported Mo and Re Catalysts Towards Hydrogen, Benzene and Naphthalene

High activity and high formation selectivity for aromatics in the dehydrocondensation reaction of methane were realized only on selected catalysts. The requisites of a metal and a zeolite support as the selected catalyst were described. However, the catalytic activity steadily declined even on the selected catalysts with time on stream because of coke accumulation. A stable catalytic activity was obtained when CO₂ or CO was added into methane feed due to effective removal of coke from the catalyst surface by CO or CO₂. The route from methane to aromatics and the formation process of active phase of catalyst were discussed.     

Studies on the Performance and Structure of Supported Catalysts for the Partial Oxidation of Methane to Syngas

The catalytic properties of several supported metal catalysts on different carriers were studied in the partial oxidation of methane (POM) to syngas. In our experiment, supported noble metal catalysts exhibited better performance than the other supported transition metal catalysts. The catalyst performances were significantly influenced by the d-electron configuration of the active metal components and the dispersion of active metal components on the support. A catalyst with a moderate number of unpaired electrons in the d-orbital of the active metal support without obvious acidity or redox activity (e.g. MgO) was suitable for POM performance. The Rh/SiO2 catalyst was the best in the POM reaction, among those investigated. Reaction conditions apparently also affected the POM performance of the catalyst. The conversion of methane and the selectivity for CO increased with the reaction temperature, and a high CH4/O2 ratio was not beneficial for POM performance.     

Studies on the Performance and Structure of Supported Catalysts for the Partial

The catalytic properties of several supported metal catalysts on different carriers were studied in the partial oxidation of methane (POM) to syngas. In our experiment, supported noble metal catalysts exhibited better performance than the other supported transition metal catalysts. The catalyst performances were significantly influenced by the d-electron configuration of the active metal components and the dispersion of active metal components on the support. A catalyst with a moderate number of unpaired electrons in the d-orbital of the active metal support without obvious acidity or redox activity (e.g. MgO) was suitable for POM performance. The Rh/SiO2 catalyst was the best in the POM reaction, among those investigated. Reaction conditions apparently also affected the POM performance of the catalyst. The conversion of methane and the selectivity for CO increased with the reaction temperature, and a high CH4/O2 ratio was not beneficial for POM performance.