KCl对Cu-K-La/γ-Al2O3催化剂上HCl氧化反应性能的影响

采用等体积浸渍法制备了Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂,考察了KCl对该催化剂催化HCl氧化制Cl₂反应性能的影响. 当KCl的负载量为5 wt%时,Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂表现出较好的催化活性和稳定性,可在较大的原料气空速变化范围内使用. 在0.1 MPa,360 ℃,空速450 L/（kg-cat·h）和HCl/O₂摩尔比为2：1的反应条件下,Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂上HCl转化率在100 h内保持85%以上. 表征结果表明,Cu,K和La物种均高度分散于γ-Al₂O₃载体表面;一定量KCl的加入可降低Cu²⁺ → Cu⁺的还原温度,从而提高Cu²⁺活性中心的催化活性.     

Mn-Ce催化剂的制备及其在丙烷催化燃烧中的应用

采用共沉淀法制备了一系列具有不同Ce/Mn摩尔比的Mn-Ce复合氧化物催化剂。结果表明:铈的引入能显著提高MnO_x催化剂对丙烷燃烧的催化活性,并且当Ce/Mn摩尔比为0.2以及焙烧温度为400℃时制备得到的催化剂具有最高的催化活性。进一步研究发现,焙烧温度会显著影响MnO_x氧化物的物相结构和催化活性。而Ce的引入改变了MnO_x催化剂在相同焙烧温度下的物相组成,提高了催化剂表面活性氧的比例和氧化还原性能,从而增强了MnO_x催化剂的丙烷燃烧性能。     

载体对Pd-Cu/活性炭催化剂在消除卷烟主流烟气中CO活性的影响

采用等体积浸渍法制备了Pd-Cu/活性炭催化剂, 用脉冲反应考察了催化剂对模拟卷烟主流烟气(4.4 CO-4.2 H₂O-19.2 O₂-72.2 He)(体积分数, %)中CO的常温催化氧化性能, 系统研究了不同的活性炭载体对催化剂的CO常温氧化活性的影响. 研究表明, 在室温条件下, 催化剂对CO氧化反应的活性顺序为: 椰壳活性炭为载体的催化剂(CAC)<木质活性炭为载体的催化剂(WAC)<超级活性炭为载体的催化剂(SAC), 并且活性炭载体对催化剂的反应诱导期也存在显著的影响. 对催化剂的表征结果表明, 不同活性炭载体表面上含氧官能团含量不同, 影响催化剂表面Pd和Cu的存在状态, 使得SAC催化剂上的Pd只以Pd²⁺形式存在, 而CAC和WAC催化剂上的Pd以Pd²⁺和Pd⁰形式存在, 导致SAC催化剂比CAC和WAC两种催化剂具有更好的CO催化氧化活性. 使用催化剂接装的三段式复合滤嘴试验卷烟, 与对照卷烟相比, 卷烟主流烟气中CO的释放量都有所降低, 其中添加SAC催化剂的效果最为明显. 如果将Pd的负载量增加为3.4% (w), SAC催化剂对卷烟主流烟气中CO的去除率高达25.4%.     

Pd-Cu-Clx/Al2O3催化剂对CO氧化的稳定性

CO催化氧化广泛应用于空气净化、机动车尾气治理和CO气体传感器中.在CO氧化催化剂设计与制备过程中,催化剂与使用环境密切相关.例如工业和机动车尾气净化需要在高温(200–600°C)下进行,而对于半密闭空间(隧道或者地下停车场)空气净化需要在室温和高相对湿度下进行.频繁冷启动导致半密闭空间CO浓度累积而超过排放控制标准,因此制备室温、高相对湿度下CO氧化催化剂是面临的重要问题之一.负载型Wacker催化剂对于CO低温催化氧化的研究一直受到广泛关注.环境中少量水的存在会促进负载型Wacker催化剂对CO的低温氧化性能,但随着水沉积量的增加,活性位点将被覆盖,并且Pd和Cu活性组分之间的紧密结构被破坏,从而导致催化剂的失活,即催化剂的稳定性变差.因此,为了提高催化剂在高相对湿度下的稳定性,利用二乙氧基二甲基硅烷对Al2O3载体进行硅烷化处理,以增加载体的疏水性,考察载体疏水改性对CO低温氧化过程中催化剂稳定性的影响.催化剂的稳定性测试结果表明,在0°C,100%相对湿度条件下,未改性催化剂在约20 h内CO转化率由81%下降到50%;载体硅烷化后制备的催化剂在反应进行150 h后,CO转化率仍保持在78%,即反应活性未见降低.由此表明催化剂载体经有机硅烷改性后,可显著增强催化剂在低温、高相对湿度下的稳定性.N2吸附/脱附和水吸附实验结果表明,载体硅烷化改性并未对催化剂的比表面积产生影响,但显著降低了催化剂上水沉积速度和沉积量,未改性催化剂的初始吸水速度是改性后催化剂的4倍,但改性后催化剂的饱和吸水率仅占未改性催化剂的1/3.X射线衍射结果表明,载体预处理后活性物种Cu2(OH)3Cl晶粒尺寸有所增加.氢气程序升温还原、X射线光电子能谱结果表明,载体硅烷化预处理改善了催化剂中Cu和Pd物种的化学分布及接触状态,增加了与Pd物种紧密接触的Cu物种的量,从而促进了Cu物种的还原.与此同时,载体硅烷化显著降低了催化剂表面Cl离子的浓度,从而影响到对CO吸附.为了进一步研究水与催化剂稳定性之间的关系,采用原位红外漫反射(In situ DRIFT)对催化剂进行表征.负载型Wacker催化剂对CO氧化反应机理为:Pd是CO氧化反应的活性中心,通过Pd和Cu物种之间的氧化还原循环来实现CO氧化,且Pd+比Pd2+具有更高的CO氧化性能.反应气氛中水的存在,有利于CO在Pd+上氧化、以及金属态Pd被Cu2+物种再氧化的过程,同时水也显著促进了催化剂表面碳酸盐的生成以及抑制了活性物种Pd+生成.与表面碳酸盐累积相比,水对于活性物种Pd+生成的抑制作用是导致催化剂活性降低的主要原因.     

乙烯基Ia3d介孔硅分子筛的环氧化及其固定化青霉素酰化酶(英文)

采用直接共聚法合成表面含有乙烯基的具有立方相Ia3d结构的介孔硅分子筛(V-ClMS),然后对乙烯基团进行环氧化制备得到表面环氧基功能化的介孔硅分子筛(E-CIMS),采用X射线衍射、N2吸附-脱附、透射电镜、热重分析和13C固体核磁共振对制备的介孔硅分子筛进行了表征.结果表明,表面含有乙烯基的V-ClMS介孔硅分子筛能被一步成功合成,并易于发生环氧化而获得表面环氧基功能化的E-CIMS介孔硅分子筛.将E-CIMS介孔硅分子筛作为载体用于固定化青霉素G酰化酶(PGA),研究了表面环氧基团对固定化PGA初活性和操作稳定性的影响.结果表明,随着表面环氧基团数量的增加,介孔硅分子筛孔径减小,表面疏水性增加,导致载酶量和初活性减小.但介孔硅分子筛表面适量的环氧基团能增强E-CIMS介孔硅分子筛与PGA之间的相互作用,从而提高固定化PGA的操作稳定性.     

稀土催化材料的应用及研究进展

稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征,当用作催化剂的活性组分或载体时常常表现出独特的催化性能. 稀土催化材料的研究和发展为La和Ce等高丰度轻稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径. 目前稀土催化材料在石油化工、化石燃料的催化燃烧、机动车尾气净化、工业废气治理和固体氧化物燃料电池等领域发挥着重要的作用. 本文综述了稀土催化材料的应用以及理论研究进展,重点讨论了稀土元素对所涉及催化剂的结构、活性和稳定性等的影响.     

稀土催化材料的制备、结构及催化性能

稀土催化材料的研究和发展为La和Ce等高丰度轻稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径.稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征,作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能.本文从稀土氧化物、稀土复合氧化物、稀土-贵金属催化剂、稀土改性多孔催化材料等稀土催化材料出发,重点介绍和讨论了稀土的添加对催化剂的结构、活性和稳定性等的影响,阐述了稀土与过渡金属及氧化物、稀土与贵金属之间的相互作用,及对催化剂催化性能的影响.并对稀土催化材料的研究和发展提出了思考和展望.     

Co掺杂SAPO-5分子筛制备及其催化氧气氧化环己烷反应性能(英文)

环己醇和环己酮(KA油)是制备尼龙所需材料己二酸和己内酰胺的重要中间体,也可用作油漆、农药和染料等的溶剂以及染色和褪光丝的均化剂等.工业上制取KA油的方法主要为苯酚加氢法、环己烯水合法和环己烷氧化法,其中环己烷氧化法最为普遍,是非常重要的工业过程.为获得适宜的KA油选择性,工业上普遍采用Co盐为催化剂,将环己烷氧化单程转化率控制在5.0%以下,从而使得产物选择性达到70%以上.该环己烷氧化制KA油过程不仅生产效率较低,而且所用均相催化剂因分离困难而不能重复使用.因此,当前关于环己烷氧化反应催化剂的研究均是围绕多相催化剂进行.氧气选择性氧化环己烷反应因具有更高的原子经济性而逐渐成为环己烷氧化法制KA油研究中最具挑战性的课题.该反应是自由基机理,而Co~(2+),Cr~(3+),Mn~(2+)和Ce~(2+)等金属离子可以促进自由基链反应,因此含有这些金属的多相催化剂被广泛用于该反应.另一方面,AlPO-n系列分子筛由于具有特殊的孔结构和一定的表面酸性,在催化反应中显示出较大的应用潜力.如果进行杂原子掺杂,通过改变分子筛骨架的电荷平衡,可以有效提高其表面酸性.例如磷酸硅铝分子筛(SAPO-5)具有中等强度的酸性和良好的择形性,因而作为固体酸催化剂广泛用于乙醇脱水、甲醇制烯烃、丙烯聚合和苯乙烯环氧化等反应,表现出较高的选择性和良好的稳定性.本文以传统均相Co盐催化剂的多相化为出发点,制备了Co掺杂SAPO-5与分子筛催化剂(Co-SAPO-5),考察了Co掺杂量对催化剂结构、表面性质以及氧气选择性氧化环己烷反应性能的影响.结果表明,一部分Co进入分子筛骨架,同时有少量Co以氧化钻形式高度分散在SAPO-5表面.Co掺杂对SAOP-5催化剂比表面积没有显著影响,但可使其孔体积减小.相反,Co掺杂可以提高SAOP-5分子筛表面B酸性位数量和总酸量.活性测试结果表明,环己烷转化率随着Co-SAPO-5催化剂中Co含量的增加而增加,但KA油选择性在转化率高于6.3%时急剧下降.还考察了反应温度、反应时间、初始氧气压力和催化剂用量对Co-SAPO-5分子筛催化剂性能的影响,得到了最优反应条件.以Co-SAPO-5-0.2(Co/Si摩尔比为0.2)分子筛为催化剂时,KA油总收率最高可达7.8%.另外,Co-SAPO-5催化剂在环己烷氧化反应中显示出很好的稳定性,Co-SAPO-5-0.2催化剂套用6次后活性几乎没有变化.     

负载型Pd/SnO2催化剂低温催化甲烷燃烧

天然气储量巨大,被广泛应用于发电和工业窑炉等.甲烷作为天然气中最主要的成分,是氢碳比最高的碳氢化合物,其温室效应显著.因此,不完全燃烧所引起的CH4排放,不仅导致能源浪费,同时也可造成环境污染.与传统火焰燃烧相比,CH4催化燃烧具有更高的燃烧效率,并可显著地减少大气污染物(CO,NOx和未完全燃烧的烃类)的排放.贵金属Pd催化剂对CH4催化燃烧表现出优异的催化性能,其中Pd颗粒的尺寸、Pd的化学状态、载体性质及其与Pd之间的相互作用等对其活性有显著影响.本文以不同温度(600,800,1000和1200℃)焙烧所得SnO2为载体,通过等体积浸渍法制备了Pd/SnO2催化剂,研究了SnO2焙烧温度对CH4催化燃烧性能的影响.结果表明,所制备的SnO2均为锐钛矿结构,并且随着SnO2焙烧温度的升高,晶型愈加完美,晶粒尺寸显著增大.催化剂中引入的Pd以高分散形式存在,CH4催化燃烧反应活性随着载体SnO2焙烧温度的升高而显著提高,其中Pd/SnO2(1200)表现出最高的CH4燃烧活性,起燃温度和最低全转化温度分别为265和390℃.在反应温度为300℃时,Pd/SnO2(1200)上甲烷的反应速率是Pd/SnO2(600)的36倍.XPS等结果表明,随着SnO2焙烧温度的升高,Pd的化学状态也有所差异:对于低温焙烧的SnO2(<800℃),Pd以Pd4+的形式进入到SnO2晶格内;随着焙烧温度的升高(>1000℃),Pd以Pd2+物种的形式存在于载体表面.结合活性评价结果推测,Pd的化学状态可能并非是影响催化剂活性的最关键因素.TEM等结果表明,Pd/SnO2(1000)上PdO的(101)晶面与载体SnO2的(101)晶面相近,分别为0.2641 nm和0.2638 nm.O2-TPD和CH4-TPR结果表明,Pd/SnO2(1200)催化剂上单位Pd原子上O2的脱附量是Pd/SnO2(600)的3倍,单位Pd原子上CH4的消耗量比催化剂Pd/SnO2(600)高出45%.因此,PdO和SnO2在构型上存在的晶面匹配可提高催化剂对O2的活化能力.综上所述,SnO2和贵金属之间的晶格匹配有利于氧在Pd-SnO2界面的活化,同时载体SnO2中的晶格氧亦可以通过"氧反溢流机理"补充到表面PdO/Pd上,从而增强催化剂对O2的吸附和活化能力,并提高CH4催化燃烧反应性能.升高SnO2的焙烧温度可强化SnO2和贵金属之间的晶格匹配,从而使催化剂活性随着SnO2焙烧温度升高而增大.     

氧化锰催化剂在环己烷无溶剂选择性氧化反应中的活性:焙烧温度的影响

环己醇和环己酮俗称KA油,是用于制备尼龙材料的己二酸和己内酰胺的重要中间体.工业上制取环己醇和环己酮的方法主要为苯酚加氢法、环己烯水合法和环己烷氧化法,其中环己烷氧化法的应用最为普遍,包括硼酸氧化法、过氧化物氧化法和钴盐催化氧化法三种路线.为获得适宜的环己醇和环己酮选择性,工业上环己烷氧化单程转化率通常控制在5.0％以下,从而使得产物选择性在80％以上.因此,现有环己烷氧化法生产KA油的最大挑战是如何同时获得高环己烷转化率和高KA油选择性.迄今,已有多种催化剂被尝试用于环己烷氧化反应,包括金属卟啉、金属氧化物、分子筛、碳纳米管和金属-有机骨架材料等.由于均相催化剂无法从环己烷氧化反应体系中分离出来,导致催化剂不能重复利用,因此多相催化剂的研究更受青睐.另外,由于采用氧气为氧化剂时具有环境友好和更高的原子经济性,因此氧气选择性氧化环己烷反应已逐渐成为环己烷氧化法制KA油中最具挑战性的研究.目前,氧气为氧化剂时的环己烷转化率通常低于过氧化氢和叔丁基过氧化氢等为氧化剂时的转化率,其关键在于适用于固(催化剂)液(环己烷)气(氧化剂)反应体系的高性能催化剂.本课题组前期研究了系列金属掺杂分子筛(Ce/AlPO-5,Ce-MCM-41/48和Mg-Cu/SBA-15等)对氧气催化氧化环己烷的反应性能,发现无论是稀土还是过渡金属掺杂,通过影响环己烷氧化反应的自由基产生和反应历程,可显著提高环己烷转化率或者KA油的选择性.基于此,本文选择原料易得、成本较低和氧化能力强的氧化锰(MnOx)作为具有强氧化能力的过渡金属氧化物的代表,深入研究了MnOx的焙烧温度对其结构和选择性氧化环己烷反应性能的影响,同时研究了反应条件对催化剂性能的影响.结果表明,400℃焙烧制得的催化剂(MnOx-400)比350,450和500℃焙烧制得的催化剂具有更高的活性.在最佳反应条件(140℃,O2起始压力0.5 MPa,反应4 h)下,使用20 mg MnOx-400可使环己烷转化率达8.0％,KA油得率为5.0％.过高的反应温度、过长的反应时间和过高的反应压力都会导致产物被过度氧化,KA油选择性降低.另外,该催化剂重复使用10次,其活性没有明显下降,显示出了很好的稳定性.表征测试结果表明,MnOx催化剂在不同温度焙烧后形成了不同的结晶形态:焙烧温度小于500℃时,催化剂主要组成为Mn3O4和Mn5O8,500℃时主要为Mn3O4,Mn5O8和Mn2O3.而且随着焙烧温度升高,MnOx催化剂的比表面积逐渐降低.相比于350℃焙烧制得的催化剂,MnOx-400催化剂具有更好的结晶形态,这可能是造成其活性较好的原因.而相比于MnOx-400,500℃焙烧制得的催化剂表面Mn4+含量和表面吸附氧含量较低,使其吸附和活化氧能力降低,从而导致催化剂活性低于MnOx-400;但是吸附和活化氧能力的降低有利于减缓反应产物的深度氧化,因而KA油的选择性增加.