分子氧气相环氧化丙烯反应的Ag-Cu-Cl/BaCO_3催化剂:Cu和Cl负载量的影响（英文）

环氧丙烷(PO)是一种重要的有机化工中间体,可以用来生产聚氨酯、丙二醇和表面活性剂等化工产品,具有很高的工业应用价值.然而,目前PO的生产工艺仍然存在着环境污染、副产物、原料经济性等不足之处.考虑到环保、技术、资金等关键性问题,丙烯气相环氧化工艺是PO生产工艺未来的发展方向,利用分子氧作为氧化剂的丙烯气相环氧化反应是最理想、原子经济性最高的反应,也是当今催化界最具挑战性的课题之一.研究报道Ag基催化剂和Cu基催化剂催化丙烯气相环氧化反应可得到较好的催化性能.尽管Ag催化剂催化乙烯氧化制环氧乙烷反应已成功实现工业化,但是Ag催化剂催化丙烯环氧化反应得到的PO选择性低于10%,这是由于丙烯比乙烯多出的甲基中的α-H受双键影响变得非常活泼,C-H键易断裂,导致丙烯容易发生完全氧化反应生成CO_2.因此,研究报道采用不同助剂对Ag催化剂进行改性以提高Ag基催化剂的催化性能.我们在前期研究中制备了Ag-CuCl_2/BaCO_3催化剂,当CuCl_2的负载量为0.036 wt%Cu和0.040 wt%Cl时,催化剂具有最优的催化性能,可以得到1.3%的丙烯转化率和71.2%的PO选择性.适量CuCl_2的改性使得催化剂表面吸附分子氧物种,同时抑制原子氧物种的形成,从而提高PO选择性.但是CuCl_2作为前驱体有一个不足之处,就是引入的Cu和Cl的比例是恒定的,不可调节.因此,我们以Cu(NO_3)_2和NH4Cl作为Cu和Cl的前驱体,采用还原-沉积-等体积浸渍法制备Ag-Cu-Cl/BaCO_3催化剂,分别通过调节Cu和Cl的负载量来进一步提高Ag-Cu-Cl/BaCO_3催化剂的催化性能,采用粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等表征手段来研究催化剂中Cu和Cl的作用.研究发现,Cl负载量的提高更容易导致大尺寸Ag颗粒的形成,而Cu负载量的提高对Ag颗粒尺寸影响不大.适当的Cl负载量可抑制氧气在催化剂表面解离吸附形成原子氧物种,从而抑制了丙烯的完全氧化,提高PO选择性.过高的Cl负载量会导致催化剂发生Cl中毒,从而降低了催化性能.适当的Cu负载量有利于丙烯气相环氧化反应生成PO,但当Cu负载量过高时容易导致Cu物种发生聚集,更多原子氧物种吸附于Ag颗粒表面,有利于丙烯完全氧化反应生成CO_2,降低了PO选择性.适当的Cu和Cl负载量使得催化剂表面吸附的分子氧物种和原子氧物种达到平衡,有利于丙烯气相环氧化反应.当Cu和Cl负载量分别为0.036 wt%和0.060 wt%时,Ag-Cu-Cl/BaCO_3催化剂具有最优的催化性能,在200 ℃,0.1MPa,3000 h~(-1)反应条件下可得到1.2%的丙烯转化率和83.7%的PO选择性.     

Cl–改性对Ag/Al2O3催化剂结构及其催化C3H6-SCR和H2/C3H6-SCR反应性能的影响

以烯烃为还原剂的NOx选择性催化还原(HC-SCR)是重要的环境催化反应之一.Ag/Al2O3催化剂(SA)因在HC-SCR反应中表现高活性、高N2选择性及中等H2O和SO2耐受性等优点,而被广泛研究.SA催化剂中存在不同的Ag物种,包括孤立Ag+离子,带部分正电荷Agnδ+团簇和金属态Agn0团簇.文献研究结果表明,SA催化剂中Agnδ+团簇是催化HC-SCR反应的活性Ag物种,而Ag物种类型与Ag的负载量密切相关.因此文献中研究SA催化HC-SCR反应的结构-性能关系主要是通过改变Ag负载量来开展的,最优Ag负载量约为1％～2％.本文以Cl–改性的γ-Al2O3作为载体,采用传统的浸渍法制备了Ag/Al2O3-Cl催化剂(SA-Cl),通过XRD、TEM、H2-TPR、UV-Vis DRS以及XPS对催化剂进行了结构表征,并结合C3H6-SCR和H2/C3H6-SCR活性测试,建立催化剂结构-催化性能关系;同时利用原位傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)和在线同步辐射单光子电离质谱(SVUV-PIMS)研究了SA催化HC-SCR的反应机理.结构表征结果表明,在SA催化剂中,Ag负载量的提高主要是增加了Agn0物种,而在SA-Cl催化剂中,Ag负载量的提高主要是增加了Agnδ+物种,因此Cl?改性能促进SA催化剂中Agnδ+物种的形成.活性测试结果表明,在相同Ag负载量下,SA-Cl催化剂表现出比SA催化剂更好的HC-SCR催化性能.Cl?改性对SA催化剂中Ag物种的调控作用和HC-SCR催化性能的促进作用随Ag负载量的增加变得更为明显.原位DRIFTS结果表明,γ-Al2O3载体(Al位点)是NO氧化形成硝酸盐物种的主要活性位点;Agnδ+物种催化丙烯适度氧化主要生成乙酸盐类物种,可以还原表面硝酸盐物种;而Agn0催化丙烯过度氧化主要生成羧酸盐类物种,进而生成CO2,不能还原表面硝酸盐物种.由此可见,Agnδ+是催化HC-SCR反应的活性Ag物种,而Agn0是催化烃类完全氧化反应的活性Ag物种;Cl–改性能有效促进Agnδ+的形成,进而提高HC-SCR催化反应活性.在线SVUV-PIMS结果检测到H2/C3H6-SCR反应中存在气态中间物种丙烯腈(CH2=CHCN).–CN和–NCO物种被认为是HC-SCR反应的关键中间物种,能够直接与气相NO+O2反应生成N2.因此,CH2=CHCN的存在说明HC-SCR反应涉及到气相反应机理.基于SA和SA-Cl催化剂,进一步研究了H2对C3H6-SCR低温活性的促进作用.结果表明,H2的促进作用是通过作用于Agnδ+物种,而不是通过Agn0物种来实现的;H2的引入有利于低温下强吸附硝酸盐物种的脱附或分解以及中间体向–NCO和–CN物种的转化,从而提高HC-SCR低温催化活性.综上,基于Cl–改性的Ag/Al2O3-Cl催化剂,本文成功证实了Agnδ+物种是催化HC-SCR反应的活性Ag物种,并结合原位DRIFTS在线SVUV-PIMS谱分别鉴定了催化反应表面中间物种和气相中间物种.这些结果加深了对SA催化HC-SCR反应构-效关系和反应机理的基础理解.     

不同孔道结构的氧化硅负载钒氧化物催化丙烷氧化脱氢

采用固定床微型反应装置,结合催化剂的原位电子自旋共振光谱、程序升温表面反应和紫外漫反射光谱等技术,研究了丙烷氧化脱氢的介孔氧化硅负载钒氧化物催化剂的性能和表面氧物种的状态及其反应性.结果表明,催化剂载体孔结构是影响钒氧物种分散状态乃至催化性能的一个重要因素.SBA-15负载钒氧化物催化剂因具有较大的比表面积和较大的孔径,不仅具有较高的丙烷氧化脱氢催化活性,而且具有较高的丙烯选择性.复合型钒氧化物催化剂表面与V离子相连的晶格氧物种是丙烷氧化脱氢牛成内烯的主要活性物种,载体表面高度分散的钒氧物种具有较高的丙烷氧化脱氢催化活性.负载型钒氧化物催化剂晶格氧物种是丙烷氧化脱氢转化为丙稀的主要活性物种,CO_2分子可以再生钒氧化物催化剂的晶格氧物种,同时它对丙烯的深度氧化作用较弱,因此在负载型钒氧化物催化剂上CO_2氧化丙烷可高选择性地生成丙烯.     

Ag-MoO3催化丙烯直接气相环氧化反应的原位红外研究

制备了对丙烯直接气相环氧化具有较好催化性能的Ag-MoO3催化剂, 采用原位FT-IR技术研究了丙烯、环氧丙烷及丙烯+氧气的混合气在Ag和Ag-MoO3催化剂表面上的吸附及反应行为. 研究表明, 丙烯在Ag和Ag-MoO3催化剂表面上吸附后, 均不发生化学反应, 而环氧丙烷吸附后在较高温度下则发生开环和聚合反应直至产生积炭. 与Ag催化剂相比, 在Ag-MoO3催化剂上, MoO3的加入在降低催化剂活性的同时, 在一定程度上抑制了产物环氧丙烷的开环及深度反应, 使环氧丙烷的选择性提高. 另外, 在较低的反应温度和较短的滞留时间下, 环氧丙烷发生深度反应的程度明显降低.     

改性Ag/α-Al_2O_3催化丙烯气相环氧化反应

制备了以分子氧为氧化剂,对丙烯气相环氧化具有较好催化性能的改性负载银催化剂,并利用氧气程序升温脱附(O2-TPD)技术研究了氧在其表面上的脱附行为.实验结果表明:Ag/α-Al2O3催化剂只能使丙烯完全氧化成二氧化碳和水;当该催化剂用K2O改性后,可获得少量的环氧丙烷;Y2O3改性的Ag/α-Al2O3催化剂,可获得极少量的丙醛和丙酮;将0.1%(w)Y2O3添加到Ag-K2O/α-Al2O3后,可以显著提高催化剂的丙烯环氧化性能.在0.1MPa、245℃、20%C3H6/8%O2/72%N2和气体空速2000h-1的反应条件下,通过20%(w)Ag-0.1%Y2O3-0.1%K2O/α-Al2O3催化剂时,丙烯转化率为4.0%,环氧丙烷的选择性为46.8%.O2-TPD研究表明,少量的Y2O3、K2O或Y2O3-K2O作为助剂添加到20%Ag/α-Al2O3催化剂中时,减少了高温区与丙烯完全氧化有关的吸附氧物种的量,低温区余下的吸附氧物种量不变,有利于丙烯环氧化反应,提高了环氧丙烷的选择性.     

丙烯直接环氧化Cu基催化剂的研究进展与挑战

作为一种重要的化工原料,环氧丙烷年产量近千万吨,然而目前工业上制备环氧丙烷的方法仍然面临着成本高、副产物多以及污染严重等问题。直接氧气氧化法进行丙烯环氧化因为具有原子经济、环保等优点受到了越来越多的关注。但是,催化过程中丙烯的α-H和环氧丙烷都具有很高的活性,使得在高转化率的条件下提升环氧丙烷选择性成为一个巨大的挑战。研究者们发现相较于其他币族金属,Cu基催化剂表现出更优异的丙烯直接环氧化反应性能。本综述总结梳理了近年来关于Cu基催化剂催化丙烯直接环氧化反应的研究成果,聚焦于Cu基催化剂改性方法,并对Cu基催化剂依然存在的问题和挑战进行深入探讨。     

负载于二氧化硅上的小尺寸氧化亚铜物种促进丙烯选择性氧化生成丙烯醛

氧化物负载的含铜材料是丙烯选择性氧化制备丙烯醛的理想催化剂,一直以来都受到人们的广泛关注.然而,对于该催化体系的结构与性能之间的关系仍不是很清楚.因此,我们以碳酸钠为沉淀剂,通过沉积沉淀法将铜负载于高比表面的二氧化硅载体上,从而得到了均匀分散且小尺寸的Cu/SiO2催化剂.另外,采用浸渍法制得了相同负载量的分散不均匀、大尺寸的Cu/SiO2催化剂.丙烯选择性氧化反应活性测试发现,沉积沉淀法制备的催化剂比浸渍法制备的更有利于丙烯醛的生成,表现出了优异的催化性能:在300℃反应时,丙烯的转化率达到25.5%,丙烯醛的选择性达到66.8%,对应的丙烯醛的生成速率高达10.5 mmol·h^-1·gcat.^-1或111.2 mmol·h^-1·gCu^-1,远远超出了浸渍法制备的催化剂性能(1.7 mmol·h^-1·gcat.^-1或17.2mmol·h^-1·gCu^-1)和文献中报道的结果.结合高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线吸收精细结构(XAFS)技术,对沉积沉淀法制备的催化剂进行表征,发现在反应后铜物种的结构发生了明显的变化,由小尺寸的氧化铜(CuO)团簇转变为氧化亚铜(Cu2O)团簇,并且铜物种的尺寸没有明显的增大.为了进一步探索铜物种在预处理(氢气还原)以及催化反应时(丙烯+氧气)的结构变化,对不同方法合成的两种催化剂进行了原位X射线粉末衍射测试,发现不同尺寸的铜物种在还原和反应时都经历了从氧化铜(CuO)变为金属Cu再到Cu2O的结构变化,并且Cu2O在320 min的反应过程中可以稳定存在,说明它是该催化反应的活性物种.另外,通过原位双光束傅里叶变换红外光谱追踪反应时气体分子在催化剂表面的吸脱附状态,发现丙烯可以有效地吸附在小尺寸Cu/SiO2催化剂表面,随着Cu2O的形成,检测到了烯丙基中间体(CH2=CHCH2*)的产生,该物种可以与邻近Cu2O上的一个氧发生反应,从而生成丙烯醛,因此结合N2O滴定实验,我们可认为,高度分散的小尺寸的Cu2O物种是丙烯进行高效选择性氧化反应生成丙烯醛的活性物种.     

五氧化二钒催化环己烯烯丙位氧化

 研究了以五氧化二钒为催化剂,以过氧化氢水溶液为氧源氧化环己烯. 考察了溶剂种类、溶剂用量、催化剂用量和反应温度等因素对催化剂性能的影响. 结果表明,常温下环己烯在此催化体系中主要发生烯丙位氧化反应生成环己烯酮. 溶剂的种类对催化活性和烯丙位酮式氧化的选择性具有较大的影响,丙酮是该反应的合适溶剂. 在丙酮与环己烯的体积比为4, 五氧化二钒与环己烯的质量比为1∶40, 过氧化氢与环己烯的摩尔比为3和反应温度为20 ℃的条件下,反应24 h后的环己烯转化率可达60%以上,环己烯酮选择性可达85%. 催化反应过程中丙酮可能与过氧化氢作用生成过氧化酮,从而进行氧转移,催化剂则经过V5+/V4+物种的循环使环己烯氧化成为环己烯酮等产物.     

三氧化钨吸附丙烯和氧的热脱附谱

钨的氧化物作为催化剂,特别适用于氧化制醛、肟等化合物,以及烯烃水合和环氧化.Schiavello和DeRossi等研究了各种钨氧化物吸附丙烯和氧的情况,以及用于丙烯氧化的活性.发现在400℃以上,蓝色氧化钨对丙烯氧化生成丙烯醛有很好的催化活性,而三氧化钨的催化活性较差,并且选择性较低.本文利用热脱附谱研究了丙烯和氧在三氧化钨表面上的吸附,并与以前研究的丙烯和氧在蓝色氧化钨上的吸附态相比较,得     

在Au／TS—1上原位再生H2O2用于丙烯环氧化反应研究

在液相条件下,对Au/TS-1催化氧化和氢气和原位再生H2O2用于丙烯的环氧化进行了研究。结果表明,氧气的存在促进了丙烯的加氢,同时分子氧的活化也离不开氢气;只有在氢气和共存时,丙烯环氧化的反应才能进行,丙烯的加氢和分子氧的活化发生在同一活性中心上。在液相条件下环氧丙烷（PO）收率比在气相条件下得到的高。     

不同沉淀剂制备的Ag／TS－1催化丙烯直接气相氧化合成环氧丙烷

 在423K、常压固定床石英反应器中，以丙烯直接气相氧化为探针反应，考察了催化剂制备方法、沉淀剂的种类和浓度对制备的Ag／TS－1催化剂催化性能的影响，采用TEM，XRD和UV－Vis等表征手段对Ag／TS－1催化剂进行了分析．结果表明，沉积－沉淀法是最佳的催化剂制备方法，但浸渍法也可制得具有环氧丙烷选择性的催化剂．K2CO3是一种良好的沉淀剂．以K2CO3为沉淀剂，硅钛比为64的TS－1为载体制备的Ag／TS－1催化剂上的丙烯转化率为1．72％，环氧丙烷选择性为98．2％．少量单质银的存在有利于环氧丙烷的生成，除银粒子的分散状态外，银粒子与载体TS－1间的相互作用对提高催化剂的选择性具有决定性作用．     

Propylene Epoxidation by Dioxygen over Catalyst Copper-loaded TiO2

A copper-TiO2 based catalyst(Cu-OH-Cl-TiO2) was prepared through a slurry impregnation approach and the catalyst was found to be active and selective for the epoxidation of propylene by dioxygen. With a feed gas of 10% C3H6, 10% O2 and 80% N2 at a gas hourly space velocity(GHSV) of 4000 h–1, a propylene conversion of 4.8% and a propylene oxide(PO) selectivity of 38.9% were achieved over the obtained Cu-OH-Cl-TiO2 catalyst at a reaction temperature of 500 K. It revealed that Cu2+ provided by crystalline Cu2(OH)3Cl plays a key role in catalytic conversion of propylene to PO.     

Effect of size of catalytically active phases in the dehydrogenation of alcohols and the challenging selective oxidation of hydrocarbons

The size of the active phase is one of the most important factors in determining the catalytic behaviour of a heterogeneous catalyst. This Feature Article focuses on the size effects in two types of reactions, i.e., the metal nanoparticle-catalysed dehydrogenation of alcohols and the metal oxide nanocluster-catalysed selective oxidation of hydrocarbons (including the selective oxidation of methane and ethane and the epoxidation of propylene). For Pd or Au nanoparticle-catalysed oxidative or non-oxidative dehydrogenation of alcohols, the size of metal nanoparticles mainly controls the catalytic activity by affecting the activation of reactants (either alcohol or O(2)). The size of oxidic molybdenum species loaded on SBA-15 determines not only the activity but also the selectivity of oxygenates in the selective oxidation of ethane; highly dispersed molybdenum species are suitable for acetaldehyde formation, while molybdenum oxide nanoparticles exhibit higher formaldehyde selectivity. Cu(II) and Fe(III) isolated on mesoporous silica are highly efficient for the selective oxidation of methane to formaldehyde, while the corresponding oxide clusters mainly catalyse the complete oxidation of methane. The lattice oxygen in iron or copper oxide clusters is responsible for the complete oxidation, while the isolated Cu(I) or Fe(II) generated during the reaction can activate molecular oxygen forming active oxygen species for the selective oxidation of methane. Highly dispersed Cu(I) and Fe(II) species also function for the epoxidation of propylene by O(2) and N(2)O, respectively. Alkali metal ions work as promoters for the epoxidation of propylene by enhancing the dispersion of copper or iron species and weakening the acidity.     

丙烯在Au/TiO2催化剂上的化学吸附与临氢环氧化反应

环氧丙烷;丙烯环氧化;丙烯在Au/TiO2催化剂上的化学吸附与临氢环氧化反应     

Iron-catalyzed propylene epoxidation by nitrous oxide: studies on the effects of alkali metal salts

SBA-15-supported iron catalysts with and without alkali metal salt modifications were studied for propylene oxidation by nitrous oxide. The reaction route could be dramatically changed from allylic oxidation to epoxidation by modification of the FeOx/SBA-15 catalyst with alkali metal salts. The KCl-1 wt % FeOx/SBA-15 (K/Fe = 5) catalyst exhibited the best catalytic performances for propylene epoxidation, over which ca. 50% propylene oxide selectivity could be gained at a 10% propylene conversion at 648 K. Characterizations with diffuse reflectance UV-Vis, XANES, and Raman spectroscopic techniques revealed that the modification with KCl increased the dispersion of the iron species and changed the local coordination of iron into a tetrahedral configuration on the inner surface of SBA-15. This tetrahedrally coordinated iron site, which was probably stabilized by potassium ions, was proposed to account for the epoxidation of propylene by nitrous oxide. At the same time, the reactivity of lattice oxygen was inhibited, and the acidity of the FeOx/SBA-15 was eliminated. These changes should also contribute to the increase in the selectivity to propylene oxide. The counteranions in the alkali metal salts exerted a significant influence on the catalytic behaviors probably via an electronic effect.     

Catalytic Performance of Amorphous Ti/SiO2 in the Gas-Phase Epoxidation of Propylene with H2O2

The epoxidation of propylene with dilute H₂O₂ aqueous solution over titanium silicalite-1 (TS-1) zeolite catalyst is a green chemical reaction for propylene oxide (PO) production. Carrying out the reaction in gas-phase can get rid of problems caused by using methanol solvent. This paper reports an attempt of using non-zeolite catalyst for the gas-phase epoxidation. Amorphous Ti/SiO₂, obtained by grafting amorphous SiO₂ with TCl₄ in ethanol solvent in a chemical liquid-phase deposition (CLD) process, has been used as the catalyst. Results show that the CLD Ti/SiO₂ with appropriate Si/Ti molar ratio is an active catalyst for gas-phase epoxidation, achieving 9.8 % propylene conversion and 66.9 % PO selectivity with 40.3 % H₂O₂ utilization, which indicates that this amorphous Ti/SiO₂ catalyst deserves extensive studies in the future.     

银-钡催化剂的表面性质和对乙烯环氧化的活性

电解根作为乙烯环氧化催化剂有较好的催化性能，微量助催化剂ＢａＯ能大大提高反应活性，但过多的Ｂａ会抑制反应活性和选择性。ＸＰＳ，ＩＣＰ，ＡＥＳ结果表明：钡在表面富集，反应前钡以ＢａＯ和ＢａＣＯ３形式存在，反应时以ＢａＣＯ３存在于表面。催化稳定性实验表明ＢａＯ和ＢａＣＯ３的作用相同。用功函数测量研究了氧的吸附，结合活性数据阐明了钡添加的电子效应。     

丙烯、氧气和环氧丙烷在Cu-NaCl/SiO2催化剂上吸附的红外光谱研究

 用红外光谱法研究了丙烯、丙烯/氧气混合气以及环氧丙烷(PO)在Cu-NaCl/SiO2催化剂上的吸附. 结果表明,丙烯在载体和催化剂上的吸附是完全可逆的. 丙烯和氧气在催化剂上共吸附后生成了丙烯醛,未观察到环氧丙烷(PO)生成. PO在载体和未还原催化剂上的吸附行为表明,PO与载体的硅羟基有强相互作用,PO发生开环反应生成开环物种. 而PO在还原态催化剂上的吸附行为较复杂,可能生成了酮类化合物.