F-T组分改性KCuZrO2催化剂上CO加氢合成异丁醇的性能研究

采用共沉淀法分别制备了不同F-T组分(Fe、Co、Ni)改性的KCuZrO_2催化剂,并用于催化CO加氢合成异丁醇。通过BET、XRD、TEM、XPS、H_2-TPR、CO-TPD以及in-situ DRIFTS对催化剂进行了表征。结果显示,F-T组分的加入促进了乙醇和丙醇的形成,但是对异丁醇选择性影响不同。结果表明,Fe促进了催化剂中各组分的分散,活性组分Cu在催化剂表面发生了富集,提高了H_2/CO活化吸附;另外,KFeCuZrO_2的催化剂表面含有较多的C1物种,有利于乙醇和丙醇进一步发生β-加成反应得到异丁醇,而Co和Ni改性的催化剂上缺少足够的C1物种,因此,异丁醇的选择性并未明显增加。Co的引入对催化剂结构以及Cu的分散影响不大,但是Co改性后催化剂性能有所下降,其原因是催化剂发生了失活; Ni添加后催化剂比表面积有所减小,且催化剂表面Cu/Zr物质的量比也降低到0. 19,催化剂粒径增大,Cu-Zr之间相互作用减弱,异丁醇选择性降低。     

Reaction and surface characterization study of Zn/Cr-based higher-alcohol synthesis catalysts X: Effects of excess promoter loading on surface chemistry

Promoter loading level significantly affects the catalytic behavior of Zn/Cr spinel higher alcohol synthesis (HAS) catalysts. In this study a 5.9 wt.% Pd-promoted Zn/Cr spinel with a 5 and 7 wt.% K promoter have been tested and compared. At 1500 psig and 400°C, the catalyst containing 5 wt.% K results in the production of slightly more butanol, less methanol and more hydrocarbons. Using ion scattering spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, differences are found between the two catalyst surfaces which must be responsible for the differences in catalytic behavior.     

Selective synthesis of isobutanol by means of the Guerbet reaction: Part 2. Reaction of methanol/ethanol and methanol/ethanol/n-propanol mixtures over copper based/MeONa catalytic systems

The synthesis of isobutanol via the Guerbet condensation between methanol and ethanol was studied by using sodium methoxide (MeONa) as soluble basic component and copper-based catalysts as heterogeneous dehydrogenating/hydrogenating metal species. The effect of the nature of the catalyst and the relative amount of its individual components with respect to the reacting alcohols as well as of temperature on productivity and selectivity of the process was investigated. The collected data indicated that the copper chromite/MeONa was more active than Cu-Raney/MeONa system. The reaction was shown to proceed with the formation only of n-propanol and isobutanol. Ethanol conversion up to 61% with selectivity to isobutanol up to 98.4% was obtained. The same catalytic systems were also employed in the reaction of the methanol/ethanol/n-propanol ternary mixture. Again copper chromite/MeONa resulted more active than the Cu-Raney/MeONa system. Finally, experiments were carried out on methanol/n-propanol mixtures in the presence of the copper chromite/MeONa catalytic system by recycling both the recovered solid copper component and the liquid reaction mixture for evidencing eventual copper leaching by MeONa. On the basis of the obtained results it was concluded that in the Guerbet reaction copper chromite works as heterogeneous catalyst.     

三乙醇胺改性Cu/Zn/Al类水滑石衍生氧化物催化合成气制备低碳醇

采用共沉淀法制备Cu/Zn/Al类水滑石前驱体,并用配体三乙醇胺(TEA)对其进行改性。前驱体经焙烧后成功获得TEA改性的Cu/Zn/Al催化剂。借助XRD、FTIR、H2-TPR、CO-TPD及SEM等方法对催化剂进行表征,并将其应用于合成气制备异丁醇的活性评价反应中。结果表明,TEA的加入能够改变催化剂形貌,使催化剂表面呈松散絮状结构。TEA可使类水滑石前驱体的结构发生膨胀,其焙烧获得的催化剂中有明显的晶格扭曲和晶格缺陷。TEA对催化剂结构的改变有利于Cu/Zn/Al催化剂中CuO组分的氢还原和CO在催化剂表面的化学吸附,从而促进异丁醇的合成。当TEA的添加比例为nTEA/nZn=0.5时,TEA改性的Cu/Zn/Al催化剂的催化效果达到最佳。     

碱金属助剂对MnOx／ZrO2催化合成

 研究了MnOx／ZrO2催化剂中添加的碱金属助剂对以合成气合成甲醇及异丁醇反应的影响，并采用BET，XRD和NH3－TPD等表征技术，考察了碱金属助剂的添加对催化剂结构和表面性质的影响．结果表明，碱金属助剂对MnOx／ZrO2催化剂的催化性能有明显影响．在实验条件下，添加1．0％K（K2CO3作为前驱物）的催化剂，其催化性能最好，醇的选择性高达74．8％，异丁醇选择性达16．3％．添加碱金属助剂也使MnOx／ZrO2催化剂的表面性质发生了很大变化，从而影响催化剂的催化性能．     

ZnCr基催化剂煅烧温度对异丁醇合成性能的影响

研究了煅烧温度对ZnCr基催化剂合成异丁醇性能的影响。结果表明,随着煅烧温度的升高,催化剂的活性和产物分布都发生了较大的变化。催化剂在较低的温度下煅烧,液相产物中醇主要是甲醇和异丁醇;在较高的温度下煅烧,液相产物醇的分布符合A-S-F方程。用BET、XRD、H₂-TPR、XPS等技术手段对催化剂织构参数、体相结构、还原性能、表面组成进行表征。结果表明,在300℃煅烧时,催化剂中的ZnO和Cr₂O₃未完全形成非计量尖晶石Zn_xCr_2/3(1-x)O;400℃煅烧时,催化剂中形成了最多量非计量尖晶石Zn_xCr_2/3(1-x)O;当煅烧温度高于400℃时,随着煅烧温度进一步升高,非计量尖晶石Zn_xCr_2/3(1-x)O逐步发生了分解,生成了更多量的ZnO和Cr₂O₃,导致催化剂的活性随之下降。进一步证明了非计量尖晶石Zn_xCr_2/3(1-x)O是该催化反应活性相。     

Pd对Zr－Mn－K催化CO加氢合成甲醇与异丁醇的影响

 考察了添加Pd对Zr－Mn－K催化CO加氢合成甲醇与异丁醇的影响．与Zr－Mn－K催化剂相比，Pd／Zr－Mn－K催化剂的催化活性及异丁醇选择性明显升高．在SV＝10000h－1，p＝8．0MPa和T＝673K的反应条件下，1．5％Pd／Zr－Mn－K催化剂上醇的时空收率由原来的122．8升高到232．6g／（kg·h），异丁醇的选择性由原来的15．5％升高到21．7％．当Pd的添加量大于1．5％时，催化剂的活性及异丁醇选择性开始下降．H2和CO吸附实验结果表明，Pd／Zr－Mn－K催化剂表面维持有较高的H2和CO吸附量，有利于甲醇与异丁醇生成速率的提高．当Pd的添加量超过1．5％时，Pd的分散度降低，粒径变大，吸附H2和CO的量减少，致使合成甲醇和异丁醇的性能降低．     

焙烧温度对K-Cu/Zn/La/ZrO2催化剂上异丁醇合成的影响

采用共沉淀法制备了Cu/Zn/La/ZrO₂催化剂,并浸渍K对其进行改性.以合成气合成异丁醇为探针反应,考察了焙烧温度对K-Cu/Zn/La/ZrO₂催化剂合成反应的影响.采用XRD、TG、BET、NH₃-TPD、H₂-TPR、Raman及XPS等手段表征了催化剂的结构和表面性质.结果表明,催化剂体相结构、比表面积与其催化活性没有直接关系;催化剂表面强酸中心的存在不利于异丁醇的生成;Cu-Zn-Zr活性组分间协同作用对催化剂活性影响很大,450 ℃焙烧温度下,Cu-Zn-Zr活性组分间协同作用最强,CuO最容易还原,催化活性最高,此时CO的转化率(物质的量)达到69.47%,醇中异丁醇的选择性(质量分数)为19.09%,甲醇+异丁醇的选择性(质量分数)为95.02%.     

沉淀温度对K-CuLaZrO_2催化剂上合成气直接合成异丁醇的影响

合成气制备异丁醇是一个非常复杂的过程,催化剂性质与异丁醇形成之间的关系仍未完全理解。共沉淀法是合成固体复合氧化物常用的制备方法,分散度高、相互作用强、制备工艺简单,但是影响制备过程的因素很多。本研究深入考察沉淀反应开始时沉淀温度对催化剂性质的影响,进而通过不同的表征手段,结合评价结果建立催化剂性质与异丁醇形成的联系,进一步完善异丁醇形成机制。结果表明,低温(30℃)有利于CuO-ZrO_2固溶体的形成,两者分散性好,且彼此之间相互作用较强,有利于氧化铜还原。同时,在低温下,催化剂表面含有较多的羟基,与CO反应后形成较多的表面C_1物种,促进了碳链增长,提高了异丁醇选择性。提高沉淀温度后,CuO颗粒粒径增大,CuO-ZrO_2固溶体逐渐被破坏,两者相互作用减弱,且表面羟基含量降低,导致表面C_1物种减少,异丁醇选择性明显降低。在CLZ-30(沉淀温度为30℃)催化剂上,异丁醇的选择性最高可达38.7%。     

非计量Zn-Cr尖晶石中离子占位对催化合成气合成异丁醇中的关键作用

异丁醇是一种基本有机化工原料和燃料添加剂。从煤基或生物质合成气制异丁醇符合我国“贫油富煤”的能源结构,对于保障我国能源安全具有重要的现实意义。Zn-Cr基催化剂合成异丁醇具有寿命长、积碳少,产物分布简单的优点,被广泛应用于合成异丁醇研究。本文总结了近年来合成气合成异丁醇的进展,重点介绍本课题组近几年在异丁醇合成过程中发现的非计量Zn-Cr尖晶石中离子占位对催化合成气合成异丁醇中的关键作用。首先概述了异丁醇的催化剂体系、合成工艺以及生成机理,然后介绍了促进阳离子在尖晶石结构中混乱分布的策略,包括调节Zn/Cr比例、煅烧温度、制备方法以及负载碱金属等,同时介绍了两种常用的定量检测尖晶石结构离子占位的方法。本课题组首次发现异丁醇产率与离子分布混乱程度呈近似直线关系,是因为离子占位强烈影响催化剂的物化性质。最后展望了异丁醇合成过程中的机遇和挑战,期望此文对能源化工、材料科学等相关学科的学者有一定的参考和启示作用。