富缺陷BN负载的高分散Cu催化乙醇脱氢制乙醛

生物乙醇作为平台分子通过催化转化的方法可以制备烯烃、乙醛、丁醇和芳香化学品等,其中乙醛是生产乙酸、季戊四醇、三氯乙醛、山梨酸等重要化学品的原料.随着乙醛的需求量逐年增加,发展以乙醇直接脱氢生成乙醛的工艺,具有联产氢气、原子经济性高、产物易分离的优点,符合国际绿色低碳发展战略要求,有望替代当前乙烯氧化法生产工艺.乙醇分子比较活泼,催化过程中通常伴随着脱水、羟醛缩合等副反应,导致乙醛的选择性降低.根据文献报道,Cu基催化剂可解离吸附乙醇,选择性断裂C-H键,是有效的乙醇直接脱氢催化剂.常规氧化物负载的铜基催化剂往往存在乙醛选择性低、Cu物种易团聚失活等问题.本文通过球磨方法处理商业六方氮化硼(h-BN),从而得到表面缺陷,使其边缘暴露一定的-OH和-NH₂等极性官能团,进而增强金属与载体的相互作用,抑制Cu物种的团聚,提高Cu基催化剂在乙醇脱氢反应中的稳定性.考察了不同负载量下Cu物种的分散情况,发现当负载量高达5%(5Cu/BNS)时,Cu物种仍然能够保持高分散.5Cu/BNS催化剂在280°C,WHSV=9.6 h^-1反应条件下,催化生成乙醛选择性达到98%,乙醇转化率为82%,且反应50 h后活性保持不变,Cu物种在BNS载体上仍保持高度分散.结合红外光谱和X射线光电子能谱(XPS)表征,证实BNS表面存在B-OH官能团,增强了Cu物种与载体的相互作用,提高了Cu催化剂在乙醇脱氢反应中的稳定性.通过原位红外实验对反应物在载体上的吸附行为研究,进一步理解5Cu/BNS表现出优异的乙醛选择性的原因.结果表明,乙醛在BNS载体上不发生吸附.从结构化学的角度来说,BNS富π电子,与乙醇的羟基相互作用但是与乙醛的富电子的C=O官能团相互排斥,促进产物乙醛脱附,因此表现出优异的选择性.该方法为设计一种高分散Cu基催化剂提供了新策略,相比于文献报道的催化体系,该催化剂在乙醇脱氢方面表现出更好的催化性能.     

氮化硼催化低碳烷烃氧化脱氢的活性起源探讨（英文）

页岩气的急速开采推动了以天然气替代石油的资源革命.除主组分甲烷外,天然气、页岩气中还包含大量乙烷、丙烷等低碳烷烃资源,将这些储量丰富的碳资源直接转化为烯烃等基础化学品有望革新以原油为基础的化学工业.现有烷烃催化脱氢制烯烃工艺中,直接脱氢过程吸热、热力学受限,且存在催化剂迅速失活的难题;而氧化脱氢是放热过程、无平衡限制,也无积碳等引发催化剂失活的问题,有利于提高反应效率、降低能耗,代表了更为高效和经济的新路线.但作为一个热力学爬坡过程,目前金属氧化物催化剂上烯烃产物很容易深度氧化到CO_2,选择性仍有待提高.非金属氮化硼能够有效活化低碳烷烃中的C-H键,促进烷烃氧化脱氢,并能够有效抑制深度氧化产物的生成,解决低碳烷烃临氧脱氢过程中产物易深度氧化的固有难题.本文综述了近期氮化硼在乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃氧化脱氢制烯烃反应中的研究进展.以丙烷氧化脱氢为例,通过比较文献报道的几种氮化硼材料的氧化脱氢性能,发现羟基化氮化硼显示了最高的烯烃选择性和时空收率,以20.6%的丙烷转化率为基准,烯烃选择性超过90%,而时空收率可达6.8 golefin gcat~(-1) h~(-1).在此基础上,本文重点讨论了对于氮化硼材料催化活性起源的认识.主要实验事实和结论包括:氮化硼自身几乎没有氧化脱氢活性,而在烷烃氧化脱氢反应条件下存在活性诱导期;活性诱导期伴随着氮化硼边沿氧官能团化过程;氮化硼边沿B-O官能团没有脱氢活性,而B-OH官能团参与了氧化脱氢过程,辅助分子氧引发低碳烷烃脱氢反应;分子氧在羟基氮化硼边沿解离活化,反应过程中与边沿结构氧存在动态交换;氮化硼边沿羟基化定向合成过程可显著增强氧化脱氢反应活性.氮化硼作为一类新型烷烃氧化脱氢催化剂,目前正处于研究的初始阶段.因此,本文最后总结了一些关于氮化硼烷烃脱氢催化体系仍需深入研究的科学问题.     

Ni-Re/SiO2催化剂中Ni颗粒尺寸对乙醇胺催化胺化反应的影响

以醇和氨/胺为原料采用催化胺化法合成有机胺长期以来广受关注,该工艺反应副产物只有水,符合现代绿色化工理念.作为工业应用的成功案例,乙醇胺(MEA)催化胺化法目前已成为生产乙撑胺(包括乙二胺(EDA),哌嗪(PIP)等)的主要工艺.MEA催化胺化通常在过渡金属催化剂上进行,如Ni基催化剂,反应过程遵循"借氢机理",经历了"脱氢-缩合胺化-加氢"三个过程.目前,关于MEA胺化催化剂的研究主要以专利为主,据我们所知,对于催化剂金属颗粒尺寸和胺化性能之间的构效关系的研究极少,特别是对于金属粒径对胺化产物分布的影响,目前还未见报道.因此,本文的目的是合成具有不同Ni颗粒尺寸的Ni-Re/SiO_2催化剂,通过滴流床反应器评价,研究颗粒尺寸对MEA胺化活性和产物分布的影响.采用控制催化剂焙烧和还原条件的方法,制备了四种不同Ni粒径的Ni-Re/SiO_2催化剂;随后采用N_2物理吸附, H_2程序升温还原, X射线衍射, H_2化学吸附,光电子能谱,红外吸收光谱等对催化剂的孔结构、还原性、粒径分布、金属Ni活性比表面、分散度、表面Ni位点类型和电子性质进行研究.MEA催化胺化反应在滴流床反应器上进行,反应条件为170oC, 8.0 MPa, MEA液时空速0.5h~(–1), NH_3:MEA摩尔比10:1, H_2含量2.5 mol%.表征结果证明,成功制备了具有不同Ni粒径,且尺寸分布集中的Ni-Re/SiO_2催化剂, Ni粒径分别为4.5, 10.5, 14.6, 18.0nm.评价结果表明, Ni颗粒4.5 nm的Ni-Re/SiO_2催化剂具有最高的活性, MEA转化率高达85.7%, EDA和PIP收率为66.4%,优于以往专利文献所报道的值.结合表征结果分析,这是由于Ni-Re/SiO2 (4.5 nm)上的Ni粒径小,分散度高,因此Ni活性比表面积大,为胺化反应提供了充足的催化位点.进一步深入研究了Ni颗粒尺寸对MEA胺化反应的影响,发现随着Ni粒径增加,底物MEA的转换频率(TOF)从193 h~(–1)增加到253 h~(–1),表明大颗粒有利于胺化反应.此外,随着粒径增加,产物中伯胺和仲胺的摩尔比从1.0增加到2.0,产物EDA的TOFEDA值由63 h~(–1)增加到119 h~(~(–1)),表明Ni粒径变化影响了MEA胺化反应途径和产物分布,增大粒径有利于EDA的生成,从而提高了产物中的伯:仲胺之比.实验结果证明, Ni-Re/SiO2催化剂粒径影响了颗粒表面Ni的配位环境,从而改变了表面的电子结构.增大Ni粒径可提高面位点Ni的比例和表面电子云密度,导致中间产物容易从Ni表面脱附,从而有利于促进反应初始阶段MEA与NH_3的胺化,提高EDA选择性.     

胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究

本文利用色散作用校正的密度泛函理论研究了炭材料上含氮官能团对CO₂吸附的作用。通过计算比较了不同含氮官能团炭材料结构片段吸附二氧化碳后的结构参数和能量,由于较强的静电作用和形成弱氢键,含单个苯环的酰胺和吡啶类的吸附剂吸附二氧化碳的作用强于单个苯胺和吡咯类吸附剂。但当增加苯环数时,色散作用主导的吡咯型吸附剂的吸附能力显著增强。以上结果预示着酰胺和吡咯类将是大π体系中具有良好CO₂吸附性能的吸附剂。因而,色散作用在CO₂吸附过程中也占据着重要地位。计算得到的结果与我们之前的实验结果一致,并且将有利于筛选更有效的二氧化碳吸附剂。     

双孔道管状有序介孔炭对维生素B12的吸附缓释性能

通过纳米铸型法,以硅基介孔分子筛SBA-15为模板,糠醇为碳源,草酸作为聚合催化剂合成了具有双孔道管状有序介孔炭CMK-5.利用粉末X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和氮气物理吸附法等对其结构进行了表征.结果表明合成的CMK-5具有有序结构,比表面积和孔容积分别高达1856 m2·g-1和2.10 cm3·g-1,在3.1和5.5nm具有集中的双孔分布.由于独特的双孔道结构特点,CMK-5在120 min内快速吸附维生素B12至平衡,吸附量高达943 mg·g-1,远高于商用活性炭.CMK-5吸附维生素B12后可以直接用于缓释,动态缓释浓度维持在～9 mg·L-1,适用于维生素B12分子在人体内的缓释.     

分子筛型PAN-ACF制备及表面结构的XPS研究

以聚丙烯腈基活性炭纤维（PAN ACF）为原料,首次采用液相浸渍结合空气氧化的方 法,在较为温和的条件下改变原料的表面结构和孔隙结构,制备出具有分离N2/O2性能的分子 筛型PAN ACF.采用TGA DTA、电子天平及XPS技术分析表征了分子筛型PAN ACF的吸附性能 和表面结构.结果表明:浸渍煤焦油后的PAN ACF在100～400 ℃之间失重缓慢,是煤焦油中苯 环及杂环类化合物与纤维表面氧化接枝的过程;经350 ℃浸渍空气氧化ACF对N2/O2吸附量及 选择性均得到了显著提高,选择系数达到5.6;浸渍煤焦油的PAN ACF表面具有一定量的羟基 、醚基、羰基和羧基等含氧官能团,氧化过程中各类官能团含量发生改变,类石墨碳含量随浸 渍浓度增加而增大;浸渍氧化再炭化的结果使PAN ACF对N2/O2吸附选择性得到明显提高.     

棒状多孔氧化铝负载氧化铬催化丙烷脱氢反应性能

丙烯是一种重要的化工原料,目前工业上主要来自石脑油、轻质油以及其他石油副产物的蒸汽裂解和催化裂解.这些过程能耗巨大,碳排放严重.丙烷直接脱氢制丙烯原料利用率高,副产物少,是一条更加经济环保的丙烯生产路线.Cr_2O_3-Al_2O_3催化剂因其出色的性能和低廉的价格已在工业中应用,但氧化铝表面酸位点易催化副反应及积碳的形成,从而造成催化剂失活.因此,调控载体氧化铝结构具有重要的意义.氧化铝的结构性质取决于合成条件以及焙烧过程表面羟基和水分的逐步脱除.我们课题组通过水热法合成了一系列表面粗糙的棒状氧化铝和富含五配位铝离子的片状氧化铝,以这些氧化铝为载体制备的负载型贵金属催化剂在催化反应中表现出优异的活性和稳定性.本文在前期工作基础上研究了不同焙烧温度对棒状氧化铝表面结构的影响,采用X射线衍射(XRD)、氮吸附、电镜(SEM/TEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段表征了氧化铝结构,并探究了其对负载氧化铬催化剂上丙烷脱氢反应的影响.XRD结果表明,低温焙烧所得主要为γ相氧化铝,提高焙烧温度至900oC时出现δ相氧化铝.氧化铝氮气吸附-脱附表现出IV型等温线,随焙烧温度升高,介孔结构保持,但比表面积和孔体积呈减小趋势.电镜观察显示氧化铝为棒状结构,表面粗糙.NH_3-TPD结果表明自制氧化铝酸量低于商业氧化铝,且随焙烧温度升高酸量下降.以上结果表明焙烧温度在氧化铝性质调控过程中起重要作用.以不同焙烧温度下制得的氧化铝等体积浸渍氧化铬制得氧化铬催化剂.丙烷脱氢反应结果表明,催化剂表现出优异的稳定性和再生性能.氮吸附等温线表明新鲜催化剂为介孔结构,这有利于反应物接触活性位点,并提供抗积碳阻塞能力.对比氧化铝负载氧化铬前后的电镜照片可知,催化剂表面粗糙度降低,说明活性组分均匀分散于氧化铝粗糙表面;反应前后催化剂形貌保持不变,催化剂在反应中表现出优异的结构稳定性.UV-Vis和H_2-TPR结果表明,自制氧化铝和参比氧化铝表面的铬物种以相似配位状态存在,但铬物种在自制氧化铝表面更难还原,表现出更强的金属与载体相互作用.NH_3-TPD结果表明,自制催化剂表面酸量(64μmol NH_3 g~(–1))远低于参比催化剂(140μmol NH_3 g~(–1)).热重分析证实反应后自制催化剂积碳量明显低于参比催化剂.自制棒状氧化铝作为载体制备的氧化铬低酸催化剂可抑制积碳形成,提高丙烯选择性,在丙烷脱氢反应中表现出优异的活性和抗积碳能力.     

氮掺杂石墨化炭包覆的铁基催化剂的制备及其费托合成反应性能（英文）

由合成气经费托合成(FTS)直接制取液态燃油如汽油(C_5-C_(11))或柴油(C_(10)-C_(20)),对缓解全球能源危机具有重要意义.但是,费托合成产物大多服从Anderson-Schulz-Flory(ASF)分布,C_5-C_(11)烃类选择性最大为45%.因此,高选择性地合成C_5-C_(11)烃仍具有挑战性.铁基催化剂价格低廉且能够在较宽温度区间内保持高活性,其中χ-Fe_5C_2纳米粒子催化剂表现出高活性及高C_5-C_(11)选择性.理论计算表明,Fe_5C_2中高米勒指数晶面如(510)晶面更易暴露,且C-C偶联反应更易发生在该晶面上.但纯相Fe_5C_2的制备流程复杂,操作条件苛刻,成本较高.此外,在反应过程中,因高温、高压及氧化性产物(如H_2O或CO_2等)的影响,Fe_5C_2易发生相转变,导致多物相共存.因此,制备在反应过程中能够保持高Fe_5C_2含量的催化剂意义重大.石墨化炭材料如石墨烯、碳纳米管等,因其具有大π电子结构和高电子密度,作为载体能够促进铁粒子的还原;氮掺杂石墨化炭能够进一步改善电子结构,增强载体与铁物种间的电子传导,进而促进氧化铁粒子的还原及后续碳化形成Fe_5C_2.大量研究表明,包覆结构具有独特的限域效应,能够促进碳化铁物相的生成和稳定存在.结合氮掺杂石墨化炭的电子效应和包覆结构的限域效应,有望得到高含量Fe_5C_2催化剂,实现高C_5-C_(11)选择性.因此,本文通过谷氨酸与Fe物种的配位作用,合成Fe高度分散的配合物,并热解得到氮掺杂石墨化炭包覆铁基催化剂(FeC-x,x为热解温度(℃)),通过改变热解温度调变炭层结构,并考察了其对催化剂费托性能的影响.在不同热解温度下制备的催化剂的费托合成反应结果表明,FeC-800催化活性高达239.4μmolCO gFe~(-1) s~(-1),分别是FeC-700的2倍和FeC-900的20倍.而且,FeC-800的C_5-C_(11)烃类选择性为49%,高于大多数报道的Fe/C催化剂.FeC-900则表现出较低的C_5-C_(11)烃类选择性.TG表征发现,热解温度升高,炭层石墨化过程中有损失,导致实际铁负载量增高.XRD和Raman结果表明,炭层石墨化程度随热解温度升高而增加.N_2吸附-脱附等温线表明催化剂存在介孔,有利于反应物及产物的扩散.TEM观察到铁纳米粒子被包覆在石墨化炭结构中.XPS测试结果显示,催化剂表面可探测到的元素为C,O,N和Fe.其中表面Fe的含量远低于实际负载量,说明铁纳米粒子大多存在于包覆炭层之内.通过对比反应60 h前后样品的TEM结果发现,催化剂铁纳米粒子尺寸无明显增加,说明炭层对铁纳米粒子具有限域作用.炭层的包覆可能对产物选择性造成影响:一方面,炭层能够抑制烯烃的扩散,促进二次反应,从而促进长链烃的生成;另一方面,炭层的空间效应也会抑制更长链烃(如C_(12+))的生成.因此,FeC-800表现出高C_5-C_(11)选择性.通过N 1s谱图可以发现,石墨化氮、吡啶氮及吡咯氮是主要的表面氮物种,说明N被成功掺杂进石墨化炭结构中.且随热解温度增加,石墨化氮含量增加.通过H_2-TPR及还原后XRD结果发现,FeC-700与FeC-800具有较低的还原温度,易被H_2还原为单质Fe,这有利于在反应过程中转变为活性相Fe_5C_2.CO-TPD结果显示,CO吸附强度随样品热解温度升高而显著增加.热解温度的提高促进了炭层的石墨化度,强化了炭层与Fe之间的电子转移,进而增强了Fe与CO间的相互作用,促进了H_2还原后生成的单质Fe碳化为Fe_5C_2,并且Fe_5C_2在反应过程中不易被氧化.高含量的Fe_5C_2和适宜的CO吸附强度使FeC-800催化剂表现出高催化活性及高C_5-C_(11)选择性.     

磷化铁/石墨烯纳米复合物的制备及其在F-T合成反应中的应用

作为一种新型碳材料, 石墨烯(G)具有较大的比表面, 因而可以作为载体担载多种金属或金属氧化物. 通过水热法一步合成了磷酸铁/氧化石墨复合物(FePO/GO), 氧化石墨(GO)上复合的磷酸铁(FePO)呈多孔状, 粒径为100～300 nm. 以FePO/GO为前体, 在氢气氛围下, 通过煅烧进一步合成了磷化铁/石墨烯纳米复合物(FeP/G). 粒径为10 nm左右的磷化铁(FeP)均匀的分散在石墨烯表面, 主要暴露(201)晶面. 石墨烯不但能调控FePO的结构, 而且还能促进FePO的还原. FeP/G催化剂可以用于费-托反应, 相对于非负载的FeP, FeP/G具有较高的催化活性、对长链烃较高的选择性以及较高的烯/烷比.     

催化CVD调变PAN-ACF微结构研究

首次采用催化气相沉积法(CVD),以异丙醇为溶剂将催化剂[Ni(NO₃)₂·6H₂O]有效地分散在PAN-ACF较大的微孔上,使其成为积炭的活性位,从而将ACF的孔径调控在分子筛孔径效应范围内.以液氮为吸附质,测定了样品吸附等温线,采用H-K及DFT法计算孔结构,用XRD及SEM表征ACF的显微织构,并对该沉积过程进行了解释.