甲烷在SrO-La2O3/CaO催化剂上的氧化偶联Ⅲ.动力学处理及其反应机理

动力学的比较研究发现,在20％La_2O_3/CaO(LC)催化剂中添加SrO(SLC),改变了甲烷氧化偶联的反应机制。根据前文的动力学实验结果,提出了简化的反应网络和几种反应机理,并且进行了动力学处理。结果表明,在LC催化剂上的甲烷氧化偶联满足Langmuir-Hin-shelwood机理,反应的活性氧物种为分子态吸附氧物种O_2~*,CO_x来源于[CH_3·]同气相分子氧的相互作用;而SLC催化剂的甲烷氧化偶联却满足修正的Rideal-Redox机理,反应的活性氧物种为表面氧物种O~-,CO_x由[CH_3·]同O~-的相互作用产生。     

ESCA研究CH4—O2在铁和锰表面上的化学行为

利用ESCA研究比较了CH_4—O_2在过渡金属铁和锰表面上的化学行为,结果表明:(1)在室温和高真空(P=10~(-5)Pa)下,甲烷与金属(铁和锰)表面和预先氧化的金属(Fe_2O3和MnO)表面作用,均未观察到有任何化学反应。但当甲烷与氧共吸附时,金属表面上就可检测到碳物种生成(CH_x,CH_xO,Carbide等),说明过渡金属铁和锰表面上的过渡态氧能够使甲烷脱氢活化;(2)合理地选择反应气CH_4/O_2比值。对有效且有选择地进行甲烷转化十分重要。CH_4/O_2比值太低,易使在表面生成的碳物种深度氧化;CH_4/O_2比值太高,表面生成碳物种的速率(甲烷转化率)大为减小;(3)在设计和选择甲烷氧化偶联反应催化剂时,应考虑催化剂表面上金属离子对氧和碳的键合强度因素。     

La2Zr2O7催化剂结构相变对甲烷氧化偶联反应性能的影响

采用共沉淀法并通过改变焙烧温度制备了一系列具有不同晶相结构的La_2Zr_2O_7催化剂,在微型固定床反应器上评价其甲烷氧化偶联反应性能,并利用XRD、Raman、CO_2-TPD、XPS等表征手段,探究催化剂的物相结构、表面碱性以及表面氧物种的变化规律。结果表明,随着焙烧温度从700℃逐渐升高到1200℃,La_2Zr_2O_7催化剂结晶度不断提高,晶相发生明显变化,从无定形结构逐渐向缺陷萤石结构过渡,最终转变成烧绿石结构。焙烧温度提高促使La_2Zr_2O_7晶相转变过程中,催化剂表面的碱性强度减弱,中等碱性位数量以及具有催化活性的表面氧物种O_2~(2-)和O_2~-的相对含量不断减少,致使催化剂的CH_4转化率和C_(2+)选择性不断降低。其中,无定形LZO-CP-700催化剂表现出最佳的甲烷氧化偶联反应性能。     

SiO2—Al2O3和MgO催化剂上吸附CH3NO2的TPD和IR研究

用TPD和IR方法研究了CH_3NO_2在典型固体酸SiO_2-Al_2O_3和固体碱MgO催化剂上的吸附分解。结果表明,在SiO_2-Al_2O_3表面CH_3NO_2吸附转化为表面甲酰胺物种,后者在高温下分解为CO_2和NH_3。在MgO表面CH_3NO_2吸附形成多种表面化学物种,它们在升温过程中脱附,并通过表面亚硝基甲烷物种分解为NO、C_2H_4、C_2H_6和N_2O.讨论了CH_3NO_2分解过程中表面酸、碱中心的作用。     

甲烷在SrO-La_2O_3/CaO催化剂上的氧化偶联 Ⅰ.SrO对La_2O_3/CaO催化剂的助催化作用

在常压流动反应装置上评价了一系列La_2O_3/CaO催化剂和SrO-La_2O_3/CaO催化剂。实验表明:La_2O_3/CaO体系是很好的甲烷氧化偶联催化剂。在1073K和CH_4:O_2:He=4:1:5(总流速120ml/min)的实验条件下,20％La_2O_3/CaO催化剂上的甲烷转化率为26％,C_2选择性为53％;加入助剂SrO(15—20％)后,在同样实验条件下,甲烷转化率为29％,C_2选择性为66％。表明SrO对La_2O_3/Cao催化剂有明显的促进作用。用XRD,XPS和TPD(CO_2-TPD和O_2-TPD)技术表征了SrO-La_2O_3/CaO催化剂体系,结合反应评价结果,认为SrO的促进作用可以归结为:(1)调变了催化剂的碱性强度分布,提高了催化剂表面强碱中心的数目;(2)提高了La_2O_3的分散度;(3)抑制了催化剂的低温氧吸附物类。     

Zn-Al共掺杂La_2O_3催化剂在甲烷氧化偶联中的性能

采用柠檬酸溶胶凝胶法制备了Zn掺杂和Zn-Al共掺杂的La_2O_3催化剂,运用原位表征技术研究了该催化剂在甲烷氧化偶联(OCM)反应中的构效关系。原位XRD表征结果发现,La_2O_3晶体在高温下沿c轴发生热膨胀。H2-TPR结果显示,La_2O_3基催化剂中含有两种类型的氧物种,即强结合氧和弱结合氧;XPS结果表明,强结合氧归属于为O-。Zn掺杂的La_2O_3催化剂在高温下形成更多的氧空位,能活化氧气产生更多的强结合氧,因而在OCM反应中表现出较好的催化性能。Al的共掺杂能促进Zn在La_2O_3中的分散,进一步增加强结合氧数量,提升OCM反应C2+烃的选择性。     

CaO／La2O3催化剂电导性质与催化性质的研究

碱土金属氧化物及稀土金属氧化物对甲烷氧化偶联(OCM)均有较好的催化活性,前者具有较强的碱性,后者具有较好的稳定性,而且是产生甲基自由基的活性材料。Becker在较大范围内调变了CaO-La_2O_3的组成,研究了其反应活性及表面酸碱性的关系。结果表明,混合氧化物生成C_2烃的选择性比La_2O_3纯相氧化物的高,据此推测在La_2o_3和CaO间存在一种相互作用,有利于提高C_2烃的选择性。为进一步研究这种二元催化剂的相互作用,我们在较小范围内对La_2o_3进行了调变,通过对其电导、结构及催化性质的研究发现,少量CaO掺杂使C_2烃选择性提高的原因在于有部分Ca~(2+)进入了La_2O_3晶格,产生了O~-离子物种。 1 实验部分 1.1 催化剂合成 采用硝酸盐混合溶解、673K热分解、1373K高温焙烧的方法制备CaO/La_2O_3(记为XLEC)催化剂。根据所含CaO的摩尔百分数0、1、3、5、7、100,分别将其标记为XLEC0、XLEC1、XLEC3、XLEC5、XLEC7、XLECaO。 1.2 活性表征 反应在常压固定床石英反应器内完成,CH_4:O_2=4:1(总流速100mL/min),催化剂40～60目,用量0.2g。产物用2305型氢火焰检测器分析。 1.3 仪器及测试条件 XRD谱及晶胞参数测定在DMAX—Ⅱ型衍射仪上完成,使用CuKα射线辐射。Raman光谱应用SPEX-1403双光栅拉曼光谱仪,光源为A     

磷酸盐的添加对甲烷氧化偶联反应镧基催化剂的影响

采用柠檬酸法制备了不同含量磷酸盐修饰的镧基催化剂,考察了磷酸盐的添加对镧基催化剂甲烷氧化偶联反应(OCM)活性的影响,并借助X射线衍射(XRD)、O_2-程序升温脱附(O_2-TPD)及X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂的理化性质进行了表征.结果表明,随着磷酸盐加入量的增大,催化剂样品的粒径逐渐减少,催化剂的物相由La_2O_3向La_3PO_7和LaPO_4逐步转变.当催化剂的物相由La_2O_3和适量的La_3PO_7构成时,催化剂具有较多的表面缺陷位点数和较大的亲电氧物种/晶格氧物种比值,并呈现出良好的OCM反应性能.     

甲烷氧化偶联制乙烯Li—ZrO2,Li—La2O3催化剂的研究

研究了添加Li的La_2O_3和ZrO_2两种催化剂对甲烷氧化偶联催化性能的影响,并用XRD,LRS和XPS等方法对催化剂进行了表征。结果表明,Li~+的加入提高了催化剂的C_2选择性,但两类催化剂上Li~+的添加作用机制不同。La_2O_2加入Li~+达40mol％时,样品可获得34.4％的甲烷转化率和60.4％的C_2选择性。Li~+在La_2O_3表面分散,表面O/(Li+La)比随Li~+添加量增加而下降。催化剂对C_2选择性的提高可能是因为Li~+覆盖了La_2O_3表面部分完全氧化中心所致。ZrO_2中添加Li~+有Li_2ZrO_3生成,75mol％Li-ZrO_2仅检测到Li_2ZrO_3晶相,该样品可得34％甲烷转化率和63％C_2选择性。样品的XRD及XPS研究表明,随Li~+加入量增加,表面Li/Zr比接近2:1,没有Li的富集,样品表面存在两种氧物种,其O_1s结合能分别为530.3和531.9eV。对75mol％Li—ZrO_2样品,后者占95％,该表面氧物种可能与C_2选择性提高有关。     

~(13)CH_3OH在Pd-La_2O_3/SiO_2催化剂上的程序升温脱附和分解及共吸附物类的相互作用

用质谱检测的程序升温脱附研究了~(13)CH_3OH在不同La_2O_3含量的Pd-La_2O_3/SiO_2催化剂上的脱附和分解。高温He处理的催化剂室温下对甲醇的吸附容量随La_2O_3含量增加而增加,但其脱附和分解产物之比几乎为常数。氢还原的催化剂室温下对甲醇吸附容量在Pd/La体相原子比为1:1时达最大值,但甲醇脱附和分解产物之比值随La_2O_3含量增加而增加,且产物中CO_2随La_2O_3含量增加而减少。CH_3OH和~(13)CH_3OH次序吸附后的TPD谱表明在催化剂上有对甲醇的分子吸附中心,可置换的解离吸附中心和不可置换的强解离吸附中心。CO和~(13)CH_3OH共吸附的TPD谱表明:在CO和~(13)CH_3OH共吸附物类之间有相互排斥的作用。这种作用有利于CO吸附态的重新分布和脱附,因此阻止了CO的岐化反应。     

红外光谱研究甲烷和氧与SrO-La2O3/CaO表面的相互作用

在甲烷氧化偶联（ＯＣＭ）反应条件下，用原位红外光谱研究ＳｒＯ－Ｌａ２Ｏ３／ＣａＯ催化剂，结果表明，晶格氧使甲深度氧化，Ｌａ２Ｏ３和ＣａＯ具有活泼的晶格氧，ＳｒＯ的晶格氧比较稳定，气相氧通过催化剂表面消耗掉的晶格氧，加速甲烷了深度氧化，另一方面，催化剂表面的碳酸根物种在氧气氛下分解，在Ｌａ２Ｏ３和ＬＣ催化剂中，催化剂表面Ｌａ２Ｏ２（ＣＯ３）的分解形成配位不饱和的晶格氧Ｏ＾２－，并为气相氧吸附提供氧空     

THE ROLE OF LATTICE AND GASEOUS OXYGEN ON THE OXIDATIVE COUPLING OF METHANE STUDIED BY A PULSE REACTION TECHNIQUE

A comparative study of the role of lattice and gaseous oxygen in theoxidative coupling of methane over Na~ /Cao and Ca_xSr_(1-x)TiO_3 perovskiteoxide catalysts was performed by using a pulse reaction technique with CH_4,O_2 and mixtures of CH_4and O_2.It was found that there is an oxygen species onthe Surface of Cao which is active only for the total oxidation of methane at thereaction temperature.These oxygen species.once reacted with methane andconsumed,can be regenerated by the adsorption of oxygen molecules from thegas phase or by the migration of the lattice oxysen from the bulk onto thesurface.In contrast,no such oxygen species and no reaction can be detected bymethane pulsed over Ca_xSr_(1-x)TiO_3perovskite oxide catalysts.Na~ can heavilysuppress the non-selective oxygen species on the surface,and When 5mol%Na~ was incorporated onto the surface of Cao,the sample showed no reactivityto methane.When oxygen exists in the gas phase,or the pulse containsmethane and oxygen,the reaction over(Cao is mai     

甲烷在SrO-La2O3/CaO催化剂上的氧化偶联Ⅱ.反应动力学的研究

在２０％Ｌａ２Ｏ３／ＣａＯ（ＬＣ）催化剂中添加ＳｒＯ（添加ＳｒＯ的ＬＣ以ＳＬＣ表示）明显地提高了反应活性和Ｃ２选择性。反应动力学研究表明，ＬＣ和ＳＬＣ催化剂在甲烷氧化偶联反应中，在表观活化能和表观反应级数上存在很大的差异。ＬＣ催化剂在ＣＨ４转化以及Ｃ２和ＣＯｘ形成过程中，表观活化能大于ＳＬＣ催化剂，而ＳＬＣ催化剂的指前因子小于ＬＣ体系，两者存在着补偿形象。ＳＬＣ催化剂的反应速率常数比ｋｃ２／ｋＣＨ     

碱性助剂的添加对Ni/CaO-Al2O3催化剂性能的影响

在CH4、 CO2和O2制合成气的反应中, 通过在Ni/CaO-Al2O3催化剂中添加碱性助剂K2O、 MgO和La2O3, 使催化剂的性能得到了改善. 实验结果表明, MgO和La2O3助剂的添加, 有利于提高催化剂的活性;添加K2O, 却相反. 测得催化剂上积炭量的顺序为: Ni-La2O3/CaO-Al2O3相似文献   

Partial Oxidation of Methane to Syngas Using Lattice Oxygen of La1-xSrxFeO3

Catalytic partial oxidation of methane to syngas using the lattice oxygen of La1-xSrxFeO3 perovskite oxide catalysts in place of molecular oxygen was studied. La1-xSrxFeO3 (x＝0, 0.1, 0.2,0.5) perovskite oxides were prepared by the "auto-combustion method". XRD analysis showed that all La1-xSrxFeO3 samples have a single-phase perovskite-type oxide. The redox properties of the catalysts were investigated by temperature programmed reduction with hydrogen (H2-TPR). Reducibility of the catalysts increase with the increasing of the Sr2+ content. The oxygen species of the catalysts and their reaction with CH4 were studied by the temperature programmed surface reaction (CH4-TPSR). In the absence of gas phase oxygen, there exist two kinds of oxygen species on the catalysts. One kind of the oxygen species with strong oxidative ability is produced first, which can oxidize CH4 completely to CO2 and H2O.Then, the second oxygen species with weak oxidative ability is formed, which can oxidize CH4 partially to CO and H2 with high selectivity. The number of the oxygen species with strong oxidative ability in the CH4-TPSR tends to become zero at low x values (x≤0.1). Under suitable reaction conditions, switching alternatively the reactions of 11% O2-Ar and 11% CH4-He over a La0.sSr0.2FeO3 catalyst at 900 ℃ allows methane to be selectively converted to synthesis gas (CH4 conversion ～90%, CO selectivity ＞93%) using the lattice oxygen of the perovskite oxide catalyst in a redox mode.     

Oxidative coupling of methane over La-promoted CaO catalysts： Influence of precursors and catalyst preparation method

The oxidative coupling of methane to C2 hydrocarbons has been studied over a series of La-promoted CaO (La/Ca = 0.05) catalysts, prepared using different precursor salts for CaO and La2O3 (viz. acetates, carbonates, nitrates and hydroxides) and catalyst preparation methods (viz. physical mixing of precursors, co-precipitation using ammonium carbonate/sodium carbonate as a precipitating agent), under different reaction conditions (temperature: 700-850℃, CH4/O2 ratio: 4.0 and 8.0, and GHSV: 51360 cm3 g-1 h-1)...     

甲烷氧化偶联反应催化剂碱性与反应性能的相关性

在催化剂甲烷氧化偶联反应性能研究的基础上，利用ＣＯ２－ＴＰＤ技术考察了不同的碱金属化合物－Ｌａ２Ｏ３／ＢａＣｏ３催化剂的表面碱性。结果表明，ＢａＣＯ３的协同作用，碱金属化合物的添加都增大了催化剂表面碱性的强度，也增加了碱性位的数量。     

Na^+/CaO催化剂上的甲烷氧化偶联

研究了不同碱金属离子对CaO的促进作用,发现以Na~+的添加效果最好。在此基础上,研究了不同含钠化合物对CaO的促进作用,并用脉冲反应技术研究Na~+/CaO催化剂表面氧物种的特性及其作用。CaO表面上存在非选择性氧化的氧物种。Na~+对CaO的修饰作用是抑制非选择性氧化。当表面上的非选择性氧化的氧物种消耗后,体相的晶格氧会向表面迁移,以补充消耗掉的表面氧物种。消耗掉的表面氧物种也可由气相氧补充。CH_4脉冲和混合气脉冲说明仅靠[Na~+O~-]中心不足以使甲烷转化成C_2产物,必须有气相氧的参与才能使甲烷转化成C_2产物。