钒磷氧合成条件对丁烷选择性氧化催化性能的影响

正丁烷氧化制备顺酐是低碳烷烃高值化利用的典型代表,钒磷氧(VPO)催化剂是该反应唯一的工业催化剂。通过调控有机相法合成过程中还原时间、回流时间和磷钒物质的量比3种实验参数,合成系列VPO催化剂,结合多种分析手段,探索合成条件对催化剂结构的影响规律,获得精细调控催化剂合成的方法和最优条件,催化正丁烷选择性氧化反应,转化率可达93.8%,顺酐收率达62.4%。进而精准构筑VPO催化剂,揭示VPO催化正丁烷选择性氧化制顺酐反应中的构效关系。     

VPO催化氧化正丁烷反应动力学

VPO催化氧化正丁烷制顺酐是目前唯一实现工业化的低碳烷烃选择氧化反应。本文介绍了VPO催化机理和主要的反应网络,综述了国内外反应动力学的研究进展情况。根据人们对正丁烷氧化反应机理的不断认知及动力学模型的完整性,首次将正丁烷氧化制顺酐反应动力学的发展分为探索期、成型期和拓展期三个时期,并阐释了每个时期的特征和典型模型。探索期特征是仅考虑反应物在催化剂表面的吸附行为,成型期特征是充分考虑了产物对反应的抑制作用,拓展期特征是考虑了催化剂氧化度不断变化的动态过程并将不同氧气形式之间的相互变化引入动态模型中。从时空多尺度角度研究动力学和传递之间的相互作用是正丁烷选择氧化反应动力学下一步的研究重点,也是未来动力学研究的发展方向。     

用于丁烷选择氧化制顺酐的铈锆复合钒磷氧催化剂的研究

 在钒磷氧（VPO）催化剂中添加适量铈锆复合氧化物，得到了一\r\n种新型的铈锆复合钒磷氧催化剂．该催化剂对丁烷选择性氧化制顺酐反\r\n应的催化性能比纯VPO催化剂有了显著提高．在丁烷／空气共进料反应\r\n条件下，其顺酐收率比纯VPO催化剂提高了一倍；在无氧反应条件下，\r\n其可参与选择性氧化制顺酐的晶格氧量为纯VPO催化剂的2．2倍．BET比\r\n表面积测试、X射线衍射、钒平均价态测定和程序升温实验等表征结果\r\n表明，混合在催化剂活性相中的少量铈锆复合氧化物参与了VPO体系的\r\n氧化还原过程，并起到了以下两方面的作用：（1）促进了（VO）2P2O\r\n7相的形成，稳定了钒的平均价态，有利于最终形成晶相结构良好和反\r\n应性能稳定的VPO催化剂；（2）显著提高了VPO催化剂的氧化还原性能\r\n，大大增加了催化剂的可逆储氧量．     

丙烷选择氧化用VPO／SiO2催化剂的研究

 摘要：对比研究了VPO和VPO／SiO2催化剂的结构、表面元素氧化态、还\r\n原性及其对丙烷选择氧化反应的催化性能．与VPO催化剂相比，VPO／S\r\niO2催化剂具有较大的比表面积；VPO主要以（VO）2P2O7的形式高度分散于SiO2表面；VPO／SiO2催化剂的还原温度较低；VPO／SiO2催化剂与丙烷的相互作用较强；在反应条件下，VPO／SiO2催化剂的活性较高，但产物丙烯的选择性较低，并有丙烯醛等C3含氧化合物生成．这可能是由于VPO／SiO2催化剂表面的V与Si发生了相互作用之故．随着VPO担载量的增加，VPO／SiO2催化剂的比表面积减小；催化剂的还原温度略有升高，可还原的晶格氧量增加；催化剂表面与丙烷的相互作用增强；丙烷转化率升高而丙烯选择性降低，丙烯醛选择性在5％VPO／SiO2催化剂上最高．这可能是由于随着VPO担载量的增加，催化剂表面晶格氧的密度增大所致．     

二种或多种添加元素及机械球磨对钒磷氧化物的性能调变

钒磷氧化物（VPO）是目前由正丁烷选择氧化制顺酐的最为有效的催化剂体系犤１，２犦。这是极为复杂的一类催化剂体系，虽然对其进行过较多研究，但对反应活性位等问题尚未有很好的认识犤３，４犦。VPO催化剂的一个重要特点是不同制备条件对催化剂的结构及反应性能有很大的影响，而其它元素的引入可以提高丁烷的转化率或马来酐的选择性，但对引入组份的确切作用尚不清楚犤５犦。Hutchings等曾对不同种类的单一添加元素进行过系统的比较研究犤６犦，但对二组份及二组份以上添加组份的研究鲜有报道。在实用VPO催化剂中常含有二种以上的添加…     

添加Tm对VPO催化剂性能的影响

八十年代以来，以正丁烷为原料生产顺酐的磷钒系催化剂研究非常活跃．为改进催化剂的性能，可添加Zn、Co、Zr、Ti等过渡元素［1－3］，但有关催化剂的组成、结构及作用机理方面的报导较少．我们在VPO催化剂中分别加入十五种稀土元素并将其应用于正丁烷选择氧化制备顺酐的反应中［4］．实验结果表明，以添加Tm的催化剂活性及选择性均为最高．本文用IR、XRD、XPS、和NH3－TPD等方法研究了VPO和添加Tm后样品的晶相结构、表面组成和酸性，用固定床反应器考察了正丁烷转化率和生成顺酐选择性的变化并探讨了引起这些变化的机理．1实验（…     

超临界流体干燥方法在丁烷选择性氧化制顺酐VPO催化剂制备中的应用

分别用超临界流体干燥方法和传统方法制备了用于丁烷选择性氧化顺酐的VPO催化剂。用超临界流体干燥方法制备的催化剂VPOⅡ的比表面积高达38．8m^2/g,而用传统方法制备的催化剂VPOⅠ的比表面积只有10.7m^2/g。XRD分析表明,除催化剂VPOⅡ中的VOPO4相含量比催化剂VPOⅠ稍多外,这两种催化剂的主要结构均为（VO）2P2O7相。在有氧和无氧条件下进行的丁烷氧化制顺酐的催化反应结果表明,用超临界流体干燥方法制备的催化剂不仅具有较高的顺酐收率,而且含有更多的可在无氧条件下参与选择性氧化反应的晶格氧（催化剂VPOⅡ的可利用选择性晶格氧量比催化剂VPOⅠ增加了1．5倍）。用超临界流体干燥方法可以改善催化剂性能的原因可能与催化剂具有较大的比表面积和较多的V^5 有关。     

Zr,Mo,Zn添加剂及机械球磨对钒—磷—氧催化剂性质的影响

利用X射线衍射（XRD）,X射线光电子能谱（XPS）及傅利叶红外光谱（FT－IR）等手段考察了添加剂Zr,Mo,Zn和机械球磨对VPO催化剂结构与性质的影响,采用了正丁烷选择氧化反应评价催化剂的催化性能,实验表明,添加Mo,Zn,会减少（200）面的相对暴露,但是可以增大表面＋4价钒的相对比较,因此反应活性提高,助剂Zr可能会取代表面＋4价的,明显增大催化剂的表面P／V比,因此没有明显的助催化作用,机械球磨可以明显增大VPO催化剂活性组分（VO）2P2O7晶相（200面的相对暴露,导致催化剂的反应活性上升。     

正丁烷选择氧化过程中VPO体系的表面物种

用漫反射傅立叶变换红外光谱法,研究了VPO催化剂上正丁烷选择氧化制顺酐的表面物种及催化反应过程。催化剂暴露在1．5％n-C4 21％02＋N2的流动混合气中,流量为50mL/min,温度100－400℃,在催化剂表面上未观察到吸附的正丁烷,但发现了吸附的顺酐和COx。同时,检测到吸附的马来酸和高活性的烯烃物种。     

超临界流体干燥方法在丁烷选择性氧化制顺酐

分别用超临界流体干燥方法和传统方法制备了用于丁烷选择性氧化制顺酐的VPO催化剂. 用超临界流体干燥方法制备的催化剂VPOⅡ的比表面积高达38.8 m2/g,而用传统方法制备的催化剂VPOⅠ的比表面积只有10.7 m2/g. XRD分析表明,除催化剂VPOⅡ中的VOPO4相含量比催化剂VPOⅠ稍多外,这两种催化剂的主要结构均为(VO)2P2O7相. 在有氧和无氧条件下进行的丁烷氧化制顺酐的催化反应结果表明,用超临界流体干燥方法制备的催化剂不仅具有较高的顺酐收率,而且含有更多的可在无氧条件下参与选择性氧化反应的晶格氧(催化剂VPOⅡ的可利用选择性晶格氧量比催化剂VPOⅠ增加了1.5倍). 用超临界流体干燥方法可以改善催化剂性能的原因可能与催化剂具有较大的比表面积和较多的V5+有关.     

Investigation of the mechanism of n-butane oxidation on vanadium phosphorus oxide catalysts: evidence from isotopic labeling studies

The selective oxidation of n-butane to maleic acid catalyzed by vanadium phosphates (VPO) is one of the most complex partial oxidation reactions used in industry today. Numerous reaction mechanisms have been proposed in the literature, many of which have butenes, butadiene, and furan as reaction intermediates. We have developed an experimental protocol to study the mechanism of this reaction in which (13)C-isotopically labeled n-butane is flowed over a catalyst bed and the reaction products are analyzed using (13)C NMR spectroscopy. This protocol approximates the conditions found in an industrial reactor without requiring an exorbitant amount of isotopically labeled material. When [1,4-(13)C]n-butane reacted on VPO catalysts to produce maleic acid and butadiene, the isotopic labels were observed in both the 1,4 and 2,3 positions of butadiene and maleic acid. The ratio of label scrambling was typically 1:20 for the 2,3:1,4 positions in maleic acid. For butadiene, the ratio of label scrambling was consistently much higher, at 2:3 for the 2,3:1,4 positions. Because of the discrepancy in the amount of label scrambling between maleic acid and butadiene, butadiene is unlikely to be the primary reaction intermediate for the conversion of n-butane to maleic anhydride under typical industrial conditions. Ethylene was always observed as a side product for n-butane oxidation on VPO catalysts. Fully (13)C-labeled butane produced about 5-13 times as much isotopically labeled ethylene as did [1,4-(13)C]butane, indicating that ethylene was produced mainly from the two methylene carbons of n-butane. When the reaction was run under conditions which minimize total oxidation products such as CO and CO(2), the amounts of ethylene and carbon oxides produced from fully (13)C-labeled butane were almost equal. This strongly suggests that the total oxidation of n-butane on VPO catalysts involves the oxidation and abstraction of the two methyl groups of n-butane, and the two methylene groups of n-butane form ethylene. An organometallic mechanism is proposed to explain these results.     

Selective Oxidation of Propane by Lattice Oxygen of Vanadium-Phosphorous Oxide in a Pulse Reactor

Selective oxidation of propane by lattice oxygen of vanadium-phosphorus oxide (VPO) catalysts was investigated with a pulse reactor in which the oxidation of propane and the re-oxidation of catalyst were implemented alternately in the presence of water vapor. The principal products are acrylic acid (AA),acetic acid (HAc), and carbon oxides. In addition, small amounts of C1 and C2 hydrocarbons were also found, molar ratio of AA to HAc is 1.4-2.2. The active oxygen species are those adsorbed on catalyst surface firmly and/or bound to catalyst lattice, i.e. lattice oxygen; the selective oxidation of propane on VPO catalysts can be carried out in a circulating fluidized bed (CFB) riser reactor. For propane oxidation over VPO catalysts, the effects of reaction temperature in a pulse reactor were found almost the same as in a steady-state flow reactor. That is, as the reaction temperature increases, propane conversion and the amount of C1 C2 hydrocarbons in the product increase steadily, while selectivity to acrylic acid and to acetic acid increase prior to 350℃ then begin to drop at temperatures higher than 350℃, and yields of acrylic acid and of acetic acid attained maximum at about 400℃. The maximum yields of acrylic acid and of acetic acid for a single-pass are 7.50% and 4.59% respectively, with 38.2% propane conversion. When theamount of propane pulsed decreases or the amount of catalyst loaded increases, the conversion increases but the selectivity decreases. Increasing the flow rate of carrier gases causes the conversion pass through a minimum but selectivity and yields pass through a maximum. In a fixed bed reactor, it is hard to obtainhigh selectivity at a high reaction conversion due to the further degradation of acrylic acid and acetic acid even though propane was oxidized by the lattice oxygen. The catalytic performance can be improved inthe presence of excess propane. Propylene can be oxidized by lattice oxygen of VPO catalyst at 250℃, nevertheless, selectivity to AA and to HAc are even lower, much more acetic acid was produced (molar ratio of AA to HAc is 0.19:1-0.83:1) though the oxidation products are the same as from propane.     

VPO催化剂的再生性质及其对晶格氧选择氧化丙烷的影响

采用脉冲反应器,研究了ＶＰＯ催化剂的再生性质及其对晶格氧选择氧化丙烷制丙烯酸和乙酸的影响,结果表明,ＶＰＯ催化剂与气相分子氧反应的速度要比丙烷与其 和氧反应的速度慢许多,因此以丙烷－Ｏ２共进料方式进行反应时,催化剂氧化再生是速度控制步骤,水是影响催化剂选择性的重要因素,但对活性影响不大,在反应温度下,水在ＶＰＯ催化剂 为可逆吸附,容易脱附流失,催化丙烷反应生成目的的产物的活性中心很稳定,主要是晶格     

Novel VPO Catalysts for n-Butane Oxidation to Maleic Anhydride:The Effects of Combined Moderators,Preparation Procedure and MCM-41 Supports

VPO catalysts are widely used in selective oxidation of n-butane into maleic anhydride (MA)^[1-2]. In the recent years, there is an obvious trend worldwide that the selectivity of a target product is more emphasized than the overall conversion, to decrease the undesired by-products. In this study, different approaches have been tried to generate more environmentally friendly VPO catalysts, with high MA selectivity and improved n-butane conversion. The moderated catalyst was prepared in aqueous phase^[3]. For comparison, the moderators were also introduced by impregnating the VPO precursor synthesized in organic medium. The supported VPO systems on the MCM-41 mesopore materials were prepared by employing the reaction of V₂O₅ with isobutanol in the presence of MCM-41 fine powder with different Si/Al ratios. The catalysts were evaluated at 385-425℃ and characterized by XRD, XPS and TPR etc.     

VPO催化剂制备条件对其催化甲苯氨氧化反应性能的影响

 用浸渍法制备了负载型钒磷氧(VPO)催化剂,并以甲苯氨氧化合成苯甲腈为探针反应,考察了载体、还原剂、P/V比和V2O5负载量对催化剂性能的影响. 结果表明,大比表面积SiO2负载的VPO催化剂性能稳定,在高温下也具有较好的选择性. 采用不同还原剂制备的催化剂在反应一段时间后活性趋于一致,表明催化剂活性中心是在反应气氛下形成的. P/V比对催化剂活性和结构影响较大,P的加入破坏了V2O5的晶型结构,使磷酸盐物种从催化剂体相向表面聚集,减少了催化剂表面存在的过度氧化物种O-和O-2的数量,选择性氧化物种晶格氧(O2-)起主要氧化作用,提高了催化剂的选择性. V2O5负载量增大,催化剂活性提高,但生成苯甲腈的选择性降低. 表面单分子层覆盖的VOx可能是反应的活性位和选择性位.     

掺杂Pr对VPO催化剂性质的影响

在ＶＰＯ催化剂中添加Ｐｒ，用ＸＲＤ，ＬＲＳ，ＸＰＳ，ＥＳＲ和＾３１Ｐ固体核磁共振考察了催化剂的相组成和钒的氧化态，用ＮＨ３－ＴＰＤ和吡啶吸会原位红外光谱表征了催化剂表面的酸量。将催化剂应用于正丁烷选择氧化生成顺酐的反应中，实验结果表明，当Ｐｒ／Ｖ原子比＝０．０５时，活性相（ＶＯ）２Ｐ２Ｏ７的量增加，表面酸性增强，正丁烷转化率和生成顺酐的选择性都有所提高，而Ｐｒ／Ｖ≥０．１０时，（ＶＯ）２Ｐ２Ｏ７的     

高比表面积VPO催化剂的制备及其性质研究

利用有机相制备VPO催化剂,在制备过程中加入聚乙二醇(PEG)作为分散剂可有效提高VPO催化剂的比表面积。实验中采用两种不同分子量的聚乙二醇(PEG 6000和PEG 10000),所得VPO催化剂的比表面积分别为52与54m²/g,而不加聚乙二醇的VPO催化剂其比表面积仅为19m²/g.XRD,XPS及FTIR的结果表明,催化剂的主要晶相均为(VO)₂P₂O₇,但两类催化剂的微观结构有所不同。正丁烷选择氧化生成马来酐的催化反应结果表明,385℃时加聚乙二醇制备的VPO催化剂其丁烷的转化率为84%～86%.马来酸酐的选择性为78%,而不加聚乙二醇制备的VPO催化剂其转化率和选择性均为71%.