丝光沸石催化二甲醚羰基化研究进展

二甲醚羰基化反应是在二甲醚分子中定向插入一氧化碳的重要增碳反应,在工业生产中具有重要意义.近年来,研究发现廉价的丝光沸石可催化二甲醚羰基化反应,且具有较高的反应活性和十分优异的羰基化产物选择性,因此,得到了广泛的研究.本文对丝光沸石催化二甲醚羰基化的研究进行综述,介绍了羰基化反应的机理,并总结丝光沸石内部酸性位点调控的...     

预吸附吡啶增强二甲醚在丝光沸石上羰基化反应的稳定性

 对比研究了二甲醚在氢型丝光沸石和吡啶修饰的氢型丝光沸石上的二甲醚羰基化反应. 结果表明, 吡啶预吸附大大提高了二甲醚羰基化反应的稳定性, 并且在 473 K 反应 48 h 能够保持约 30% 的乙酸甲酯收率. 原位红外光谱和 NH3 程序升温脱附研究发现,吡啶吸附在 12 元环内, 而 8 元环内的酸性位基本不受干扰. 129Xe 核磁共振研究表明, 未经修饰的丝光沸石反应后孔道严重堵塞, 而吡啶修饰的分子筛反应后孔道基本不变. 因此, 12 元环内酸性位是积炭失活位, 吡啶吸附抑制了 12 元环内积炭的生成, 二甲醚羰基化反应能够在 8 元环内活性位上顺利进行.     

丝光沸石的酸性质调控及在二甲醚羰基化反应中的催化性能

二甲醚(DME)羰基化制乙酸甲酯(MA)及MA加氢制乙醇,是一条新兴的合成气间接法制乙醇工艺.其中,DME羰基化合成MA反应原子经济性高,反应条件温和.特别是以丝光沸石(MOR)为催化剂时,反应在较低温度(473 K)下MA选择性即可达到99％,这使得该工艺具有良好的竞争力和工业化前景.在已有的文献报道中,学者们将MA的高选择性归结于分子筛八元环(8-MR)结构的限域效应,红外和DFT计算表明八元环的Br(o)nsted酸位上可以专一性催化CO插入吸附态的甲基形成乙酰基中间体.为了建立八元环Br(o)nsted酸位点与活性的关系,研究者一般采用化学脱铝和离子交换等方法减少八元环Br(o)nsted酸位点,以观察反应活性降低的趋势.事实上,采用直接合成手段选择性地调控H-MOR的酸性,以此提高其羰基化活性的研究报道十分有限.因此,我们通过多种方法来调变MOR的骨架Al元素分布,包括改变水热合成中溶胶的组成、选择适宜的模板剂以及对样品进行酸处理等,获得了一系列酸量和酸分布不同的H-MOR分子筛.通过考察DME羰基化制MA的反应性能,进一步明确酸性调控对分子筛催化剂结构和性能的影响.首先通过XRD和N2物理吸附对所有样品的织构性质进行表征,结果发现各样品均为纯的MOR晶相,相对结晶度也较为相近.比表面积和孔分布计算结果显示,各样品的孔结构也大致相同.特殊地,以环己亚胺(HMI)为模板时得到的样品结晶度较低,比表面积和孔体积较小.这是因为HMI的碱性较弱,因此在水热合成过程中的结构导向力较弱,无法高效地促进分子筛成核.酸处理会造成分子筛骨架T原子少量脱除,导致结构轻微破坏,但总的来说影响不大.在排除了晶相与结构方面的差异后,我们基于不同环内酸性位点对不同尺寸碱性分子的可接近性存在差异这一特点,结合ICP-OES,27Al MAS NMR,NH3-TPD和Py-FTIR等多种表征方法对MOR分子筛八元环和十二元环的Br(o)nsted酸位进行定量分析.通过计算骨架Al含量及NaM样品的对照,验证了NH3-TPD的峰位归属,认定高温处的NH3脱附峰能够准确反映H-MOR骨架中Br(o)nsted的酸总量.通过Py-FTIR获得了H-MOR样品中十二元环的Br(o)nsted酸量.由此发现通过不同方法得到的H-MOR催化剂上八元环内的Br(o)nsted酸比例存在较大差异(55.5％-72.7％),并且普遍高于商业H-MOR样品(54.5％),说明我们通过控制合成条件或者酸处理可以有效地调控骨架Al元素的分布,进而导致Br(o)nsted酸在不同环内的分布比例发生变化.尤其是当HMI作模板剂时,由于其分子尺寸较大,仅可以进入分子筛的十二元环,促使Al原子向八元环富集,因而在样品结晶度较低的情况下,八元环内的Br(o)nsted酸仍显著增加.反应测试结果表明,不同催化剂虽然均具有较高的选择性,但反应初始活性差别明显.将MA的生成速率与八元环的Br(o)nsted酸量相关联,发现二者呈线性正相关关系,由此验证了文献中八元环内Br(o)nsted酸位是DME羰基化制MA反应的活性位点这一学术观点,同时更加肯定了我们对分子筛酸性的调控是有效且成功的.我们的实验结果为分子筛的酸量和酸分布调控提供了有益信息,也为后期DME羰基化反应催化剂的优化和设计提供了参考.     

无机体系合成纳米丝光沸石组装体及其优异的二甲醚羰基化催化性能

乙醇是一种重要的有机化工原料和燃料/燃料添加剂.二甲醚(DME)羰基化制乙酸甲酯(MAc)并进一步加氢制备乙醇提供了一条乙醇生产新途径.作为该路线的核心过程,DME羰基化制备MAc反应具有原子经济性高和反应条件温和等特点,近年来备受关注.在DME羰基化制备MAc的多相催化剂中,丝光沸石(MOR)是迄今为止最为高效的催化...     

改性丝光沸石催化二甲醚气相羰化的反应性能

对比研究了铜/钾改性丝光沸石、铜改性丝光沸石、H型丝光沸石上二甲醚气相羰化制醋酸甲酯的反应行为,并通过XRD、NH3-TPD、SEM、TEM及FT-IR等对反应前后催化剂进行了表征分析.丝光沸石负载Cu后,改变了反应过程中催化剂上积炭中间物种的形态,由石墨状"硬碳"转变为易于消除的"软碳"(结焦),从而提高了羰化反应的活性和稳定性;K改性的Cu/MOR沸石,由于K对沸石表面强酸位的调变,抑制了二次反应的发生,进一步提高了二甲醚气相羰化反应的稳定性.     

空间位阻对吡啶过度修饰导致丝光沸石二甲醚羰基化酸性位中毒后 再生的诱导作用

当今世界环境与能源问题日益加剧,乙醇作为一种重要的清洁燃料和化学品受到广泛关注,迫切需要探索高效的乙醇合成方法,以满足日益增长的市场需求.其中,将煤炭、生物质、页岩气等为原料合成的二甲醚通过羰基化反应制乙酸甲酯、乙酸甲酯加氢制乙醇的串联式绿色乙醇合成路线具有重要的工业应用前景.然而,在二甲醚羰基化过程中,丝光沸石分子筛易积碳失活,阻碍了其工业应用.吡啶改性可以毒化丝光沸石12元环孔道中的酸性位,抑制积碳的形成,进而大幅度提高该催化剂的稳定性,但同时会使其催化活性降低约40%–50%.为了解决这一难题,本文从分子水平上研究了吡啶吸附行为以及分子筛骨架空间位阻对丝光沸石催化剂上二甲醚羰基化反应的影响.通过解析丝光沸石的骨架结构,我们发现位于8元环侧袋和12元环孔道共用孔壁处O_2位置上的酸性位是二甲醚羰基化反应的活性位,但它们在吡啶修饰过程中易被毒化而使催化剂活性下降.密度泛函理论计算结果表明,吡啶分子因受分子筛骨架空间位阻的影响,在O_2处酸性位上的吸附较弱.而实验结果也表明,通过673 K热处理可以再生被吡啶毒化的O_2活性位,而并不影响12元环孔道中其它吡啶分子的吸附.因此,该热处理方法可以使丝光沸石催化剂保持高稳定性的同时,将二甲醚羰基化反应催化活性提高约60%.本文从分子水平证明了丝光沸石中O_2活性位对二甲醚羰基化反应的重要作用,为绿色乙醇合成技术研究提供了新的思路,也为其它高效分子筛催化体系设计提供了有益的参考.     

纳米丝光沸石分子筛的合成及表征

在水热条件下制备丝光沸石的纳米晶.研究了合成条件、不同添加剂、动态晶化等对沸石粒径的影响.结果表明,反应物中较高的碱度,较低的晶化温度,加入NaCl和Na2SO4金属盐做成核助剂,及动态晶化有利于纳米丝光沸石分子筛的合成.     

HMOR分子筛骨架铝分布研究及二甲醚羰基化反应活性中心的辨识※

HMOR分子筛在二甲醚羰基化反应中具有类似酶催化的优异性能. 关于骨架铝的分布和反应活性位的识别是研究该反应机理的关键科学问题. 早期的工作是基于理论计算研究二甲醚羰基化活性位点, 但缺乏直接的谱学证据. 通过在不同温度下焙烧NH₄MOR制备了一系列HMOR催化剂, 通过多种谱学表征手段研究分子筛骨架铝的稳定性以及铝原子落位信息, 进一步通过二甲醚羰基化反应活性关联MOR分子筛的酸性和铝分布关系获得反应机理的谱学证据. 首先从XRD (X-Ray diffraction)和SEM (Scanning electron microscope)发现经过不同温度焙烧, MOR分子筛结晶度和宏观形貌没有发生明显变化, 但是通过一维²⁹Si, ²⁷Al和¹H魔角旋转固体核磁谱(MAS NMR)发现分子筛局部环境发生了脱铝现象, 产生了明显的缺陷羟基以及B酸量的下降. 焙烧温度对HMOR分子筛骨架Al稳定性的影响较大, 随着温度升高, 脱铝逐渐加剧. 定量¹H MAS NMR结合红外(IR)光谱提供了HMOR分子筛不同孔道B酸含量的分布. 进一步使用2D ²⁷Al MQ MAS NMR的方法以及结合切片分峰拟合技术区分出分子筛骨架中的四种不同T位点, 发现当温度低于600 ℃, 不同T位脱铝速率相当; 当焙烧温度为600 ℃时, T3位点的Al原子脱除速率加快. 最后研究了二甲醚羰基化反应性能与酸分布和铝分布的关系, 获得羰基化反应活性中心的确凿谱学证据, T3-O33位置的Al位是羰基化反应的活性中心.     

介孔量对梯级孔丝光沸石催化二甲醚羰基化反应性能的影响

本研究通过调整聚乙二醇（PEG 1450）的添加量制备了介孔量不同的梯级孔丝光沸石，并分别对其结构和二甲醚羰基化反应性能进行了表征和评价。结果表明，通过提高PEG1450加入量的方式可以提高丝光沸石的介孔量，但PEG 1450的添加量过高时不利于介孔的形成。当引入的介孔量适宜时丝光沸石能够保持原有的结构，强酸中心数量增多、弱酸和中强酸数量降低，二甲醚的传质效率和二甲醚羰化反应催化性能明显提高。受传质过程和酸分布的影响，梯级孔丝光沸石催化剂上二甲醚羰化反应活性明显改善，二甲醚转化率升高、单程寿命延长，重积炭的形成明显受到抑制。PEG1450的最优添加量为丝光沸石合成时凝胶质量的2%。     

Isolated zinc in mordenite stabilizing carbonylation of dimethyl ether to methyl acetate

Mordenite with the isolated zinc ions enhanced the catalytic performance for carbonylation of dimethyl ether to methyl acetate. The addition of Zn affected the acid properties of the catalysts, further changed the rate of coke deposition.     

Hydration of dimethyl ether to methanol over solid acids

The hydration of dimethyl ether (DME) to methanol over various solid acids was studied. The acidity of the catalysts is determined by FTIR spectroscopy. The hydration is found to occur predominantly on the Br?nsted acid sites. Among the catalysts studied, WO_x/ZrO₂ and H-ZSM-5 appeared to be most active and selective.     

Investigation of the effect of carbon monoxide on the oxidative carbonylation of methanol to dimethyl carbonate over CuX and CuZSM-5 zeolites

Direct synthesis of dimethyl carbonate offers prospects for a “green chemistry” replacement to eliminate use of phosgene for polymer production and other processes. The carbonylation of methanol to produce dimethyl carbonate over Cu⁺X and Cu⁺ZSM-5 zeolites prepared by solid-state ion exchange has been investigated, focusing on the interaction of carbon monoxide with the Cu⁺ zeolites. The methanol carbonylation mechanism reported previously has been extended to account for carbon monoxide adsorption at high pressure. The comparison of the results obtained from Cu⁺X and Cu⁺ZSM-5 show that strong CO adsorption on the catalyst is not related to increased rate of dimethyl carbonate production. The rate limiting step for DMC production is best described as the Eley-Rideal reaction of gas-phase CO with surface methoxide.     

Poly(4-vinylpyridine) catalyzed hydrolysis of methyl bromide to methanol and dimethyl ether

The hydrolysis of methyl bromide with neutral water is performed in the presence and absence of various amines in a batch reactor at different temperatures (50–125 °C). Screening of poly(4-vinylpyridine) as a potential reusable solid amine catalyst showed maximum efficiency. This significant enhancement in efficiency is due to the capture of HBr by solid PVP and remains phase-separated driving the reaction forward. The major advantage of this process is that the polymer can be easily regenerated and reused without loss of activity making it a very effective catalyst for the conversion of methyl halides to methanol and dimethyl ether.     

A highly sensitive and selective dimethyl ether sensor based on cataluminescence

A sensor for detecting dimethyl ether was designed based on the cataluminescence phenomenon when dimethyl ether vapors were passing through the surface of the ceramic heater. The proposed sensor showed high sensitivity and selectivity to dimethyl ether at an optimal temperature of 279 °C. Quantitative analysis were performed at a wavelength of 425 nm, the flow rate of carrier air is around 300 mL/min. The linear range of the cataluminescence intensity versus concentration of dimethyl ether is 100-6.0 × 10³ ppm with a detection limit of 80 ppm. The sensor response time is 2.5 s. Under the optimized conditions, none or only very low levels of interference were observed while the foreign substances such as benzene, formaldehyde, ammonia, methanol, ethanol, acetaldehyde, acetic acid, acrolein, isopropyl ether, ethyl acetate, glycol ether and 2-methoxyethanol were passing through the sensor. Since the sensor does not need to prepare and fix up the granular catalyst, the simple technology reduces cost, improves stability and extends life span. The method can be applied to facilitate detection of dimethyl ether in the air. The possible mechanism of cataluminescence from the oxidation of dimethyl ether on the surface of ceramic heater was discussed based on the reaction products.     

The solubility of water in mixtures of dimethyl ether and carbon dioxide

This paper reports measurements of the solubility of water in liquid and supercritical fluid mixtures of dimethyl ether and carbon dioxide. The measurements were made by extracting water under saturation conditions using premixed liquid dimethyl ether–carbon dioxide mixtures. Results are reported for temperatures of 313.8 K and 333.3 K at 9.0 MPa and 15.0 MPa. Results are fitted to the Peng–Robinson cubic equation of state with mixing rules according to Wong and Sandler, using binary interaction parameters fitted to the literature data for the respective binary systems: dimethyl ether–water; dimethyl ether–carbon dioxide; and carbon dioxide–water. Liquid densities for dimethyl ether–carbon dioxide mixtures, measured using a coriolis flow instrument, are also reported.     

Gas phase PVT properties and second virial coefficients of dimethyl ether

Dimethyl ether (DME) is an important chemical material and gets more and more attention as a clean alternative fuel and refrigerant nowadays. The gas phase PVT properties of dimethyl ether were measured using the Burentt-isochoric coupling method in the temperature range of 328–403 K with two Burnett expansions at 383 and 403 K. A total of 126 experimental points have been obtained. The experimental measurement uncertainties were estimated to be within ±10 mK for temperature and ±0.7 kPa for pressure. The second virial coefficients along 16 isotherms were derived using the present data.     

多级孔ZSM-5分子筛的合成及其在甲醇脱水制二甲醚反应中的应用

以四丙基氨为微孔模版剂,阳离子高分子聚合物为介孔模版剂,合成了具有多级介孔的ZSM-5分子筛,并用于甲醇气相脱水合成二甲醚.结果表明,加入阳离子高分子聚合物后,合成的HZSM-5分子筛样品既保持了其MFI典型结构,又呈现了多级介孔特征;随着阳离子高分子聚合物模板剂加入量的增加,其多级介孔特征更为明显.具有多级介孔的HZSM-5分子筛表现出比常规微孔HZSM-5分子筛高的反应稳定性和二甲醚选择性,这主要是由于其织构和酸性的双重作用.