甲烷氧化偶联:Mn2O3-Na2WO4/SiO2催化剂的金属氧化物MOx(M=Ti,Mg,Ga,Zr)改性及掺杂效应研究

甲烷 (页岩气、天然气、可燃冰和煤层气的主要成分) 是地球上储量巨大的优质能源和高品味的碳氢资源, 我国也拥有储量居全球前列的页岩气、可燃冰和煤层气. 虽然甲烷经由合成气可以间接转化为乙烯等产品, 但工艺流程长以及合成气造气高温、高能耗和高物耗也是不争的事实, 这在一定程度上降低了间接合成路线的竞争优势. 特别是, 甲烷的间接转化需要将本应部分保留于产品的 C-H 键全部打断生成合成气, 然后再在催化剂作用下重组得到烃类产品, 故而并不完美.因此, 甲烷的直接转化一直是科学家孜孜以求的理想路径, 甲烷氧化偶联制乙烯 (OCM 反应) 也再一次引起关注.目前, Mn2O3-Na2WO4/SiO2是最富有应用前景的催化剂, 但其适宜反应温度仍高达 800 ℃ 以上, 极大地制约了其工业化应用. 为提高其低温催化性能, 本文采用金属氧化物 MOx(TiO2, MgO, Ga2O3或 ZrO2) 对 Mn2O3-Na2WO4/SiO2催化剂进行了掺杂改性, 利用扫描电子显微镜、N2吸附-脱附等温曲线、X 射线衍射、拉曼光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱等手段对改性后的催化剂进行了系统表征. 结果表明, TiO2掺杂的 Mn2O3-Na2WO4/SiO2催化剂在 700 ℃(催化剂床层温度)下, CH4转化率可达 23%, 同时 C2-C3烃类选择性约为 73%, 且能够稳定运行 300 h 无失活迹象; MnTiO3的形成对提高OCM 反应的低温活性和选择性至关重要, 本质在于低温 (≤ 700 ℃) 化学循环"MnTiO3?Mn2O3"的形成替代了未改性催化剂的高温 (＞ 800 ℃) 化学循环"MnWO4?Mn2O3". 对于 MgO 改性的 Mn2O3-Na2WO4/SiO2催化剂, 其催化性能与未改性催化剂相当, 反应过程中 Mn2O3与 MgO 生成了新物相 Mg2MnO4; 虽然也形成了新的 MnWO4?Mg2MnO4氧化还原循环, 但是该循环与 MnWO4?Mn2O3循环类似, 需在高温下才可高效进行. 对于 Ga2O3或 ZrO2改性的催化剂, 其催化性能低于未改性催化剂, 原因在于反应过程中 Ga2O3或 ZrO2的引入促进了 MnWO4物相的生成并对其有稳定作用, 反应后的催化剂无论是体相还是表面都只能检测到 MnWO4, 推测认为α-方石英、Na2WO4和 Mn2O3的缺失是导致 Ga2O3或 ZrO2改性催化剂性能下降的主要原因.     

甲烷氧化偶联Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2催化剂——Ⅱ.表面氧种和结构

本文用XPS详细考察了Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO-2催化剂的表面氧种,提出了该催化剂表面活性相在SiO_2表面分散的一种可能的表面结构模型。 实验部分详见另文,这里需要指出。所有催化剂样品在XPS分析前,均经在能谱仪预处理室(～10~(-3)Pa)和超高真空测试室(基础真空6.7×10~(-8)Pa)递次的450C和700C原位加热处理,以使在大气中吸附的水分和气体脱附。各元素的特征谱峰由联机计算机以多道模式同时录取(通能50eV),并累加1 h以获取高信噪比数据。Ols峰的解迭用联机计算机以高斯函数拟合,为考察该解迭结果的可靠性,曾对1.9wt％Mn_2O_3-5wt％Na_2WO_4/SiO_2催化利的     

碱金属和氯离子对Mn_2O_3－Na_2WO_4／SiO_2催化剂甲烷氧化偶联反

本文考察了碱金属和氯离子对Ｍｎ２Ｏ３－Ｎａ２ＷＯ４／ＳｉＯ２催化剂甲烷氧化偶联反应性能的影响，结果表明，只有在氯离子和碱金属的共同作用下才能有效地提高Ｃ２烃的收率及其选择性．催化剂经ＮａＣｌ改性后，Ｃ２烃收率为２２％，并可获较高的烯烷比．在考察范围内增加接触时间（Ｗ／Ｆ），催化剂选择性保持不变，但乙烯的选择性呈上升趋势．钠盐Ｎａ２ＷＯ４、Ｎａ４Ｐ２Ｏ７、Ｎａ２ＳＯ４、Ｎａ２ＣＯ３及Ｎａ２Ｂ４Ｏ７对稳定催化剂的贡献按上述顺序逐渐减小．对ＮａＣｌ－Ｍｎ２Ｏ３－Ｎａ２ＷＯ４／ＳｉＯ２催化剂进行了稳定性考察，使用ＸＰＳ、ＸＲＤ和红外光谱对经历不同反应时间的催化剂进行了表征．     

甲烷氧化偶联Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2催化剂——Ⅰ.表面分散状态和氧化物/担体相互作用

担载型Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2催化剂具有优异的甲烷氧化偶联制乙烯催化活性。在最佳反应条件下,甲烷转化率和C_2烃收率分别达到37.1％和23.9％;在1000 h连续操作后性能基本维持不变;并且由于它适于流化床操作,对这类强放热反应的工业化较为有利,本文报导用XRD、XPS和PASCA(化学分析正电子湮没谱)方法研究该催化剂活性组分Na_2WO_4和Mn_2O_3在SiO_2载体上的分散状态和氧化物/担体相互作用的结果。 催化剂由混浆法和浸渍法制备,并经750—850℃焙烧。系列配比的催化剂均经AAS分析证实体相组成。催化剂比表面积用Sorptmaeic—1822型比表面积测定仪测定(N_2吸附,     

甲烷氧化偶联Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2催化剂——Ⅲ.高温(700—800℃)XRD和XPS研究

在本工作的研究报导Ⅰ和Ⅱ(见本期477页和481页)中,已对Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2催化剂活性相的表面分散状态、表面氧种和表面结构进行了详细表征。但甲烷氧化偶联反应在高温(700—800℃)下进行。本文进一步对该催化剂在此反应高温下的XRD和XPS研究表明,其表面状态较室温下有显著变化,结合前文的室温下表征结果,使我们对高温反应条件下该催化剂组分间协同作用、表面活性氧种和活性位结构性质有了进一步的理解,并有可能对其甲烷催化活化机理进行较为深入的探讨。     

2％Mn_2O_3－5％Na_2WO_4／SiO_2催化剂上的甲烷氧化偶联反应动力学

在Ｍｎ２Ｏ３－Ｎａ２ＷＯ４／ＳｉＯ４催化剂上的甲烷氧化偶联反应可用Ｒｉｄｅａｌ－ｒｅｄｏｘ机理描述，它包括均相及多相两个步骤．甲基自由基的生成是一个多相过程（表面反应），Ｃ２烃的生成是一个均相过程（气相反应）．催化剂的活性同氧化速率（ｋ１）和ＣＨ４与表面氧种的反应速率（ｋ２）有关，Ｃ２烃的选择性与甲基自由基氧化速率常数和甲基自由基偶联速率常数的比值（ｋ／ｋ４）有关，这些常数均可从实验中求得．     

OXIDATIVE COUPLING OF METHANE OVER Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2 CATALYST Ⅱ.KINETIC STUDY

The kinetics of methane oxidative coupling over Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2 catalyst has been studied. Kinetic study carried out under differentconditions gave fractional reaction orders and apparent activation enetgy formethane conversion of 243. 3 kJ/mol.The kinetic results are interpreted via areaction model condsting of Rideal-redox mechanism. Methyl radical andsurface oxygen are assumed as the steady-state intermediates. The constants,k_1, k_2, x and k_3~2/k_4 were obtained fot every temperature. The activity is relatedto k_1 and k_2, while the selectivity (C_2/C_1) is related to k_3~2/k_4.     

OXIDATIVE COUPLING OF METHANE OVER Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2 CATALYST IN THE ABSENCE OF DILUTE GAS

The oxidative coupling of methane over Mn2O3-Na2WO4/SiO2 catalyst has been investigated in the absence of dilute gas. 16.4% of C2 yield and 80.4% of the selectivity to C2 hydrocarbons were obtained at CH4/O2 = 8.5/1.5. The effect of flow rate on the selectivity to C2 hydrocarbons and CH4 conversion was different under the reaction condition of different ratio of CH4 to oxygen. The flow rate had a more remarkable effect on the selectivity at the lower ratio of methane to oxygen. The addition of steam into the reaction gas can increase C2 yield to some extent, but that of HC1 decrease the selectivity to C2 hydrocarbons.     

MCl2-TiO2-SnO2 (M=Mg, Ca, Sr, Ba) 催化剂甲烷氧化偶联反应性能的研究

选用不同的碱土金属氯化物为原料,采用共研磨的方法制备出了具有不同表面碱性的MCl2-TiO2-SnO2(M=Mg,Ca,Sr,Ba)催化剂,并考察了催化剂的甲烷氧化偶联反应性能.通过N2吸脱附(BET)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)和CO2程序升温脱附(CO2-TPD)等技术对催化剂进行了表征.结果表明,随碱土金属元素的不同,催化剂呈现出了强弱不同的碱性吸附位.催化剂表面的碱性对活化甲烷具有促进作用,同时也带来乙烯深度氧化副反应的发生.碱量越大的弱碱性吸附位对甲烷的活化越有利,而强碱性吸附位则能导致催化剂活性降低,甚至是催化剂失活.乙烯的选择性与催化剂表面晶格氧的相对浓度密切相关.表面晶格氧的相对浓度较高的催化剂,其乙烯选择性也较大.     

OXIDATIVE COUPLING OF METHANE OVER Mn_2O_3-Na_2WO_4/SiO_2 CATALYST Ⅰ.CHARACTERIZATION OF ACTIVE SITES ON THE CATALYST

EPR and Raman spectroscopy have been used to characterize the catalyst. F-centers with EPR parameter of g=2. 0046 form when gas phase oxygen is admitted onto the catalyst reduced with methane at 800℃- Molecular oxygen plays an induced role in the electron transfer from W4 to the oxygen ion vacancy which is produced by methane reduction. Raman spectra give the further evidence for the production of lattice oxygen from molecular oxygen.     

V_2O_5/MO-Al_2O_3(M=Mg,Ca,Sr,Ba)催化剂用于正丁烷催化氧化脱氢反应（英文）

采用浸渍法制备了不同V2O5担载量的V2O5/MO-Al2O3(M=Mg,Ca,Sr,Ba)催化剂,钒物种的前驱体为偏钒酸铵.对制备的催化剂进行了一系列表征,并对催化剂上正丁烷选择性氧化脱氢制取丁烯进行了反应研究.表征结果(包括比表面积、X射线衍射、傅里叶红外光谱、氢气程序升温还原和拉曼光谱)显示,不同碱土金属元素掺杂的催化剂显示不同的钒价态信息和催化性能.其中掺杂Ca,Sr,Ba的催化剂,正钒酸盐相很难被还原,因此催化剂的氧化还原循环难以建立,导致以上三种催化剂在正丁烷氧化脱氢反应中活性较低.然而,Mg掺杂的催化剂却显示出较高的催化活性和选择性.实验结果表明:在Mg掺杂的载体上担载5%V2O5的催化剂上600°C时可获得高达30.3%的正丁烷转化率和64.3%的烯烃总选择性.这与V2O5担载量为5%时,在获得高度分散的钒氧化合物物种时可使MgO晶相稳定存在密切相关.     

Zn-Al共掺杂La2O3催化剂在甲烷氧化偶联中的性能

采用柠檬酸溶胶凝胶法制备了Zn掺杂和Zn-Al共掺杂的La_2O_3催化剂,运用原位表征技术研究了该催化剂在甲烷氧化偶联(OCM)反应中的构效关系。原位XRD表征结果发现,La_2O_3晶体在高温下沿c轴发生热膨胀。H2-TPR结果显示,La_2O_3基催化剂中含有两种类型的氧物种,即强结合氧和弱结合氧;XPS结果表明,强结合氧归属于为O-。Zn掺杂的La_2O_3催化剂在高温下形成更多的氧空位,能活化氧气产生更多的强结合氧,因而在OCM反应中表现出较好的催化性能。Al的共掺杂能促进Zn在La_2O_3中的分散,进一步增加强结合氧数量,提升OCM反应C2+烃的选择性。     

Mn_2O_3/SiO_2催化剂上湿天然气中乙烷氧化脱氢活化的研究(英文)

对Mn2O_3／SiO_2催化剂上湿大然气中的乙烷氧化脱氢反应进行了研究,发现Mn2O_3／SiO_2有较好的催化活性。对反应前后的催化剂进行了XRD和XPS分析,结果表明,催化剂的活性组分为Mn~3 我们认为在该催化剂上乙烷的主要活化途径是：催化剂表面的配位不饱和酸碱对（MLC~n -OLC~2-C）将吸附在它们上面的C_2H_6活化和异裂成乙基向由基,乙基自由基进一步形成C_2H_4,同时反应物O_2与催化剂作用,促使已基自由基进行脱附。     

LiMn_2O_4/TiO_2催化剂上甲烷氧化偶联反应性能的研究

采用固相反应法制备了具有尖晶石结构的LiMn_2O_4/TiO_2系列催化剂,探讨了TiO_2、Li/TiO_2、Mn/TiO_2、LiMn_2O_4及LiMn_2O_4/TiO_2等不同组成催化剂的甲烷氧化偶联反应性能,采用XRD、XPS、CO_2-TPD和H_2-TPR等表征方法对该系列催化剂进行了分析。结果表明,具有尖晶石结构的LiMn_2O_4化合物具有较高的甲烷氧化偶联催化活性,在775℃、0.1MPa、7200mL/(h·g),CH_4∶O_2(体积比)为2.5的条件下,甲烷转化率可达25.8%,C2选择性可达43.2%。TiO_2的存在不仅进一步提高了甲烷转化率和C2选择性,还有效抑制了甲烷完全氧化形成CO_2的过程。负载8%LiMn_2O_4的LiMn_2O_4/TiO_2催化剂性能达到最优,此时甲烷转化率达到31.6%,C2选择性为52.4%,CO_2选择性降低到26.3%。考察了不同焙烧温度对催化剂活性的影响,850℃为LiMn_2O_4/TiO_2催化剂的最佳焙烧温度。     

PbO/γ-Al_2O_3催化剂上甲烷氧化偶联的反应特性

从金属氧化物-担体相互作用观点研究了PbO/γ-Al_2O_3催化剂上甲烷氧化偶联的反应特性,进行了反应评价及XPS和XRD测定。结果表明:(1)即使PbO含量较低,处于单层分散状态的PbO仍与PbO微晶共存于γ-Al_2O_3表面;(2)PbO/γ-Al_2O_3对甲烷氧化偶联反应的活性与表面Pb/Al原子比线性相关;(3)PbO在氧化气氛中部分转化为PbO_2,部分与Al_2O_3化合生成PbAl_2O_4复合氧化物,是难以提高表面P/Al原子比的主要原因。     

甲烷氧化偶联催化剂ThO_2－La_2O_3／BaCO_3上活性氧物种研究

本文运用电子顺磁共振（ＥＰＲ）技术研究了Ｏ２在甲烷氧化偶联催化剂ＴｈＯ２，Ｌａ２Ｏ３／ＢａＣＯ３及ＴｈＯ２－Ｌａ２Ｏ３／ＢａＣＯ３上的吸附．通过对这三种催化剂上生成的Ｏ２超氧离子性质的比较，并与其催化活性相关联，发现ＴｈＯ２的掺杂使Ｏ２离子的ｇｚｚ值向低场方向移动，这可能有利于Ｏ２离子在升温过程中向Ｏ２离子的转化，从而使ＴｈＯ２－Ｌａ２Ｏ３／ＢａＣＯ３的催化活性和选择性有明显的提高．本文还考察了ＣＯ２对Ｏ２离子的影响．     

固体酸WO_3/TiO_2负载锂锰催化剂组成对其甲烷氧化偶联反应性能的影响（英文）

甲烷氧化偶联制乙烷、乙烯是一种最直接有效的甲烷转化工艺路线。催化剂的结构、碱性、活性组分的状态及分布和氧物种的性质是影响甲烷氧化偶联性能的重要因素,而这些因素与催化剂组成直接相关。以固体酸WO_3/TiO_2为载体,采用浸渍法制备出一系列负载Li、Mn活性组分的催化剂。利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-O_ES)、X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、CO_2程序升温脱附(CO_2-TPD)、O_2程序升温脱附(O_2-TPD)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和CH_4程序升温表面反应(CH_4-TPSR)等表征技术对催化剂进行了研究,发现Li的添加提高了C2选择性,并有效抑制了甲烷深度氧化形成CO_2的过程。XRD分析表明Li的添加不仅能够促进锐钛矿型二氧化钛向金红石型二氧化钛转化而且促使了高价锰离子的还原。XPS与CO_2-TPD分析表明Li的增加有利于增加催化剂表面的晶格氧含量和降低催化剂表面的碱性。O_2-TPD分析表明Li含量逐渐升高能够促使晶格氧的移动性增强,从而提高催化剂的反应性能。催化剂的性能受Mn物种的含量与价态的影响,过多的Mn物种对甲烷氧化偶联是不利的,易造成甲烷的深度氧化。同时,Li和Mn活性组分通过协同作用影响着催化剂的反应性能,能够形成新的活性物种MnTiO_3提高甲烷氧化偶联的低温活性。催化剂在n(Li):n(Mn)=2:1、反应温度750°C条件下,C2产率达16.3%,表现出最佳催化效果。     

Na-W-Mn/SiO_2催化剂中Na对甲烷氧化偶联制乙烯的作用(英文)

采用常规浸渍法制备了一系列Na（wt％）含量不同的Na－W－Mn／SiO_2催化剂,在流动态微型固定床常压反应装置上评价了这些催化剂的甲烷氧化偶联（OCM）制乙烯催化反应性能,并进行了XPS、XRD表征。实验结果表明,Na含量为0．39wt％－2．34Wt％的Na－W－Mn／SiO_2催化剂具有好的甲烷氧化偶联制乙烯性能,此时Mn以对反应有利的晶相存在,同时由于Na的表面富集,引起W、Mn向催化剂表面发生迁移。由此可见,在Na－W－Mn／SiO_2催化剂中,Na是甲烷转化和乙烯生成不可缺少的活性组分之一。     

NaOH 改性WO_3/SiO_2 催化剂催化2-丁烯和乙烯复分解制丙烯(英文)

A WO3 /SiO2 catalyst is used in industry to produce propylene from 2-butene and ethylene metathe-sis. Catalysts with various WO3 loading(4% to 10%) were prepared by impregnation and tested for the metathesis of ethene and trans-2-butene. Ion exchange of NaOH onto the WO3/SiO2 catalyst was used to mitigate the acidity of the catalysts in a controlled way. At low WO3 loading, the treatment with large amounts of NaOH resulted in a significant decrease in metathesis activity concomitant with significant W leaching and marked structural changes(XRD, Raman). At higher WO3 loading (6% to 10%), the treatment with NaOH mainly resulted in a decrease in acidity. FT-IR experiments after adsorption of pyridine showed that the Lewis acidic sites were poisoned by sodium. Never-theless, the metathesis activity remained constant after the NaOH treatment. This suggested that the remaining acidity on the catalyst was enough to ensure the efficient formation of the carbene active sites. Interestingly, Na poisoning resulted in some modification of the selectivity. The mitigation of acidity was shown to favor propene selectivity over the formation of isomerization products (cis-2-butene, 1-butene, etc.). Moreover, treatment with NaOH led to a shorter induction period and reduced coke formation on the WO3 /SiO2 catalyst.     

甲烷在SrO-La_2O_3/CaO催化剂上的氧化偶联 Ⅰ.SrO对La_2O_3/CaO催化剂的助催化作用

在常压流动反应装置上评价了一系列La_2O_3/CaO催化剂和SrO-La_2O_3/CaO催化剂。实验表明:La_2O_3/CaO体系是很好的甲烷氧化偶联催化剂。在1073K和CH_4:O_2:He=4:1:5(总流速120ml/min)的实验条件下,20％La_2O_3/CaO催化剂上的甲烷转化率为26％,C_2选择性为53％;加入助剂SrO(15—20％)后,在同样实验条件下,甲烷转化率为29％,C_2选择性为66％。表明SrO对La_2O_3/Cao催化剂有明显的促进作用。用XRD,XPS和TPD(CO_2-TPD和O_2-TPD)技术表征了SrO-La_2O_3/CaO催化剂体系,结合反应评价结果,认为SrO的促进作用可以归结为:(1)调变了催化剂的碱性强度分布,提高了催化剂表面强碱中心的数目;(2)提高了La_2O_3的分散度;(3)抑制了催化剂的低温氧吸附物类。