褐煤半焦直接加氢制甲烷反应特性及其孔结构和表面形态变化

在高温高压(1 000 ℃、12 MPa)固定床反应器上对内蒙古褐煤半焦的加氢甲烷化反应特性进行了研究,采用氮吸附和扫描电镜(SEM)对甲烷化残渣比表面积、孔结构和表面形态进行了表征。结果表明,半焦加氢甲烷化可分为加氢热解、快速加氢和慢速加氢等三个反应阶段,每阶段分别发生含氧官能团和烷基侧链加氢反应、芳环结构加氢反应以及贫氢骨架碳结构加氢反应。半焦加氢甲烷化最优反应温度为800 ℃,反应压力为3.0~4.0 MPa;提高升温速率可以缩短前段(碳转化率低于46%)反应过程时间,对后段(碳转化率高于46%)反应过程影响较小。半焦甲烷化残渣的吸附-脱附等温线呈反S型,滞后环呈H3回线形状;在甲烷化反应过程中,半焦平均孔径先减小后增大,总孔容积和介孔容积逐渐增大,微孔容积和比表面积先增大后减小。     

甲烷与氯气取代反应实验的创新设计*

基于甲烷氯代反应的机理,对物质体系、反应容器、光照条件、实验表征等进行分析,创新设计甲烷氯代反应实验,利用数字化实验的压强和温度传感器采集的实验数据为支持,更直观地多重表征甲烷与氯气发生的“取代”过程,对于成功实现甲烷氯代反应实验具有指导意义。     

铜离子配位甲烷氧化菌素功能化纳米金模拟过氧化物酶的研究

合成了纳米金-甲烷氧化菌素(Mb)-铜配合物,该配合物可以作为模拟过氧化物酶用于催化过氧化氢氧化对苯二酚的反应.通过紫外光谱、荧光光谱、红外光谱对纳米金-甲烷氧化菌素(Mb)-铜进行了表征.利用紫外-可见分光光度法研究了配合物催化过氧化氢氧化对苯二酚的动力学.考察了体系p H、体系温度及过氧化氢/催化剂摩尔比对催化反应速率的影响.结果表明纳米金-甲烷氧化菌素(Mb)-铜配合物符合生物催化剂条件影响的一般规律,但比生物酶具有更高的热稳定性.     

Ni-Mg复合催化剂催化裂解CH_4制氢动力学研究

基于定温热重实验,建立了甲烷催化裂解反应动力学模型和催化剂表面积炭失活动力学模型。其中,甲烷催化裂解动力学模型将初始产氢速率视为催化剂未积炭条件下的动力学基础数据;催化剂表面积炭失活动力学则基于甲烷催化裂解速率的降低。实验使用Ni-Mg复合催化剂,分别在535、585、635℃,甲烷分压10~4、2×10~4、3×10~4Pa条件下展开甲烷催化裂解动力学特性研究。结果表明,甲烷催化裂解的反应级数为0.5,活化能为82 k J/mol;Ni-Mg复合催化剂反应失活级数为0.5,催化剂失活活化能为118 k J/mol。实验条件下均制得了多壁碳纳米管。     

氮化SBA-16负载镍基催化剂的制备及其对甲烷二氧化碳重整反应的催化性能

通过软模板法合成了SBA-16分子筛,采用高温氨气氮化的方法使有序介孔硅材料中的氧原子部分被氮原子取代,得到氮化的SBA-16载体(SBA-16-N)。采用满孔浸渍法制备了镍基催化剂,并将制得的Ni/SBA-16和Ni/SBA-16-N催化剂用于甲烷二氧化碳重整反应。通过透射电镜、氮气物理吸附、X射线衍射、X射线光电子能谱和二氧化碳程序升温脱附等手段研究了载体和催化剂的结构,并利用热重分析对反应之后回收催化剂进行了表征。结果表明,高温氮化后的分子筛中掺入了氮元素,增加了载体的碱性,改善了载体对反应气体的吸附活化能力,增强了载体与金属之间的相互作用,从而提高了催化剂的活性和抗积炭性能。     

Br?nsted酸性离子液体催化缩醛化反应合成聚甲氧基二烷基醚

聚甲氧基二烷基醚(RO(CH2O)nR)具有高的十六烷值(CN)和含氧量,能显著改善柴油的燃烧特性,有效提高热效率,大幅减少碳烟和NOx排放,被认为是一种优良的环保型燃油组分.随着–R基碳链的增长,CN值、热值和闪点逐渐增大,密度和冷凝点逐渐降低.同时,该类化合物具有优异的溶解及渗透性能,能与许多有机溶剂互溶,低毒,可以用作溶剂或颜料分散剂.近年来,聚甲氧基二甲基醚(CH3O(CH2O)nCH3,PODEn,DMMn)的制备及应用研究受到广泛关注,而对封端基团(–R)碳数大于1的多醚类化合物的研究鲜有文献报道.本文以Br?nsted酸性离子液体为催化剂,对甲醛和二乙氧基甲烷或脂肪醇(碳数 ≥2)缩醛化反应制备聚甲氧基二烷基醚的反应性能进行了研究,考察了离子液体结构和酸性对其催化性能的影响.结果表明,–SO3H功能化的离子液体[MIMBs]HSO4在催化三聚甲醛与二乙氧基甲烷的缩醛化反应中表现出最好的催化活性.考察了催化剂用量、原料配比、反应温度、反应压力和反应时间等因素对反应性能的影响,并得到了最佳反应条件,在n([MIMBs]HSO4):n(DEM1):n(HCHO)=1:80:80,140°C下反应4 h,甲醛转化率达到了92.6%,DEM2–8选择性为95.1%.考察了不同甲醛源(三聚甲醛和多聚甲醛)与提供封端基团化合物(二乙氧基甲烷、乙醇、丙醇和丁醇)的缩醛化反应.结果发现,在反应过程中不生成水或不引入水的条件下,具有更高的反应转化率和产物选择性.分别采用静置分层和萃取实现了催化剂的分离与重复使用.推测反应机理认为,三聚甲醛首先在氢键作用下分解生成甲醛单体,甲醛和二乙氧基甲烷通过碳正离子反应机理实现了DEMn的链增长.     

锶掺杂对氧化镧催化甲烷氧化偶联反应的影响

甲烷氧化偶联反应(OCM)是天然气直接转化利用的重要途径之一.该反应通过甲烷和氧气在催化剂作用下一步将甲烷直接转化为乙烯等具有高附加值的产品,避免了涉及高能耗过程的合成气间接路径,不仅有可能减少中间副产物的生成,还有可能大大提升整个过程的能源利用效率.因此,研究OCM反应具有十分重要的实际意义.目前氧化镧基催化剂具有良好的催化活性、产物选择性和热稳定性,但在OCM反应中产品收率仍未能达到工业应用的要求,因而近几十年来高效OCM催化剂的研发一直是研究热点.实验发现,锶掺杂氧化镧催化剂具有更为优异的催化性能,主要表现在具有比纯氧化镧催化剂更高的催化活性和产物选择性,但对于锶掺杂的影响机制仍然缺乏系统的理论研究.目前普遍认为,甲烷活化是OCM反应的第一步,也是决速步,这主要是由于C?H键活化需要越过很高的能垒,因此往往需要很高的温度.本文主要采用团簇模型,通过密度泛函理论计算来研究OCM反应中锶掺杂对氧化镧催化剂上甲烷活化性能的影响及其作用原理.本文构建了八种锶掺杂的氧化镧团簇作为该催化剂模型,可分为没有自由基性质的团簇(LaSrO2(OH),La2SrO4,La3SrO5(OH),La5SrO8(OH))和具有自由基性质的团簇(LaSrO3,La2SrO4(OH),La3SrO6,La5SrO9).我们计算了甲烷在这些锶掺杂氧化镧团簇上Sr?O和La?O酸碱对位点以及氧自由基活性位点上的活化机制,以研究锶掺杂对OCM反应活性的影响,并与我们前期计算的纯氧化镧团簇上甲烷活化性能进行了对比.通过计算甲烷在不同锶掺杂氧化镧团簇上的物理和化学吸附能、活化能垒以及甲基自由基的脱附能,发现锶掺杂氧化镧团簇上的甲烷活化在热力学和动力学上都要比纯氧化镧团簇上更为有利.对于具有相同金属原子数目的团簇,甲烷在La?O上活化的能垒大小为:化学计量比的La?Sr?O团簇<非化学计量比的La?Sr?O团簇<化学计量比的La?O团簇;而甲烷在Sr?O上活化的能垒大小依次是:化学计量比的La?Sr?O团簇<非化学计量比的La?Sr?O团簇.给定一个锶掺杂氧化镧团簇,甲烷在不同活化位点上的活化能垒大小通常是:O·<甲烷在Sr?O上的反应活性要高于La?O上的,而对于具有自由基特征的锶掺杂氧化镧团簇,甲烷更容易在氧自由基位点上发生解离.此外,对于没有自由基特征的锶掺杂氧化镧团簇,甲基自由基的脱附如同纯氧化镧团簇一样是强吸热过程.相反,对于具有自由基特性的锶掺杂氧化镧团簇,甲基自由基的脱附则十分容易.由此可见,锶掺杂促进氧化镧催化剂上OCM反应活性主要有以下两个原因:(1)通过掺杂可以提供具有自由基特性的氧活性位点,(2)对于非自由基性质的团簇,可以增强金属?氧对位点的碱性和甲烷反应活性,从而有效降低了甲烷的活化能垒和甲基自由基的脱附能.     

a-二芳甲基-b-羰基硫代羧酸酯与肼的环合反应：官能化含5-羟基吡唑基的三芳基甲烷类化合物的合成

本文研究了合成官能化含5-羟基吡唑基的三芳基甲烷类化合物的a-二芳甲基-b-羰基硫代羧酸酯与肼的环合反应。研究表明,在乙醇介质中,回流条件下, a-二芳甲基-b-羰基硫代羧酸酯与肼能有效进行环合反应,高产率制得5-羟基吡唑基三芳甲烷类化合物。该反应条件温和,产率高,操作简单。     

三功能策略设计制备具有优异低温抗积碳性能的Ni-CeO2@SiO2催化剂催化甲烷干重整反应

随着全球人为温室气体排放量(主要是甲烷和二氧化碳)的增加,全球变暖的趋势逐渐增加,因此,迫切需要通过各种技术来捕获和利用这些温室气体.甲烷干气重整反应(DRM)可以有效地将甲烷和二氧化碳这两种资源丰富、价格低廉的温室气体转化为高附加值化学品,减少它们向大气排放.尽管DRM工艺的应用具有许多优势,但是反应期间碳沉积和活性组分的烧结是阻碍其工业应用的两个主要原因.这些碳沉积物可能覆盖活性中心或阻塞催化剂的孔道,从而导致催化剂活性降低.镍基催化剂因其价格低廉、初始活性高和资源丰富而得到广泛的应用.但应用于DRM反应的Ni基催化剂在反应中容易烧结和积碳,导致催化剂迅速失活.为解决上述问题,本文从三功能策略角度出发,即SiO2壳层的限域作用和Ni-Ce之间的协同作用以及CeO2的消除积碳作用,采用原位一锅法设计合成了一种限域型Ni-CeO2核壳结构催化剂(Ni-CeO2@SiO2).通过X射线衍射、透射电子显微镜、能量色散X射线光谱、N2吸附/脱附、氢气程序升温还原和脱附、氧气程序升温脱附、拉曼光谱、热重分析和原位漫反射红外傅里叶变换光谱测试对催化剂进行了系统的表征,来揭示催化剂的理化性质和反应机理.催化剂应用于甲烷干气重整反应结果表明,在温度区间为550～800℃时,与传统浸渍法合成的催化剂相比,Ni-CeO2@SiO2催化剂具有更高的活性.高温800℃下的稳定性测试结果显示,传统浸渍法合成的催化剂在反应20 h后就出现了大量的积碳且活性下降明显;而Ni-CeO2@SiO2催化剂在800℃下反应100 h后未检测到积碳,并且催化剂中的Ni纳米颗粒的平均粒径从5.01 nm仅增长到5.77 nm,表现出很好的高温抗积碳和耐烧结性能.值得注意的是,Ni-CeO2@SiO2催化剂在低温600℃(形成碳沉积的最可能温度区域)下反应20h后也未检测到积碳的形成,表现出催化剂良好的低温稳定性和抗积碳性能.这可能归因于对Ni-CeO2@SiO2催化剂的三功能作用,即多孔二氧化硅壳层的限域作用、Ni与CeO2之间强的金属-金属氧化物相互作用以及具有丰富活性氧物种CeO2的消除积碳的作用.通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱测试来探究反应机理.结果 表明,DRM反应在Ni-CeO2@SiO2催化剂上遵循L-H机理,添加CeO2可以消除碳沉积并促进CO2活化.该三功能策略为设计其他应用于DRM的高性能催化剂提供了指导,有望加快该工艺的工业化.     

化学反应-顶空气相色谱法测定气相二氧化硅表面硅羟基

建立了一种基于化学反应-顶空气相色谱测定气相二氧化硅表面硅羟基含量的新方法。实验取气相二氧化硅放入顶空瓶中于105 ℃烘箱中加热2 h去除水分,将甲苯稀释的格氏试剂注入密闭的顶空瓶中,格氏试剂与气相二氧化硅表面硅羟基快速反应产生甲烷(CH₄),甲烷量与气相二氧化硅表面硅羟基含量成正比。经过气相色谱-氢火焰离子化检测器测定甲烷,通过外标法定量,根据化学反应方程式计算出样品中羟基含量。同时对反应溶液用量与反应时间等条件进行优化,确定2.0 mL反应溶液,反应15 min为最优的前处理条件。结果表明,硅羟基含量与气相色谱信号值之间存在良好的线性相关性,相关系数为0.9990,相对标准偏差小于3%,本方法的检出限为0.30 mg/g,定量限为1.00 mg/g,开展了4家实验室对5个不同比表面积的样品测试,数据结果的重复性限(r)小于2.5%,再现性限(R)小于6.5%。该方法结合自动化技术,顶空反应操作简单,样品量和试剂用量少,准确性高,重复性好,优于酸碱滴定法,适用于快速检测气相二氧化硅表面硅羟基的含量,解决了硅羟基利用传统方法难以准确测定的难题。该方法的建立对我国二氧化硅产业硅羟基检测标准的制定和产业技术优化,均具有重要的理论和现实意义。