CuY制备方法对其催化甲醇氧化羰基化活性中心的影响

以Cu(NO₃)₂为铜源,以NaY和HY分子筛为载体,通过溶液离子交换法和等体积浸渍法制备了不同的无氯CuY催化剂,并进行了气相甲醇氧化羰基化催化活性研究。通过浸渍法制备的催化剂Cu含量为10%,而以NaY和铜氨溶液离子交换制备的催化剂Cu含量只有6.3%,但其催化活性和选择性均较好。通过催化剂的Cu元素分析、低温氮吸附-脱附、XRD、H₂-TPR、XPS和TPD等表征表明,溶液离子交换法制备的催化剂,Cu物种以离子的形式高度分散于分子筛骨架结构中,较好地保持了分子筛晶体结构,并对甲醇有较强的吸附能力,催化活性较高,而将等体积浸渍Cu(NO₃)₂溶液后的HY或NaY分子筛,在400 ℃焙烧过程中,发生了固体离子交换反应,形成了连接于分子筛骨架的Cu²⁺,但以HY为载体更容易进行固体离子交换,未交换的铜物种以CuO的形式分散到分子筛表面。在600 ℃高温活化中,催化剂中Cu²⁺可部分还原为活性物质Cu⁺,但以NaY和铜氨溶液离子交换制备的催化剂Cu²⁺自还原能力最大。     

Ce,La和Cs离子对CuY催化甲醇氧化羰基化活性中心的影响

将NaY分子筛在Ce, La和Cs的硝酸溶液中进行离子交换制得CeY, LaY和CsY分子筛, 然后在pH＝9.5的硝酸铜氨溶液中进行二次离子交换, 并在惰性气氛下于600 ℃高温活化得到CuCeY, CuLaY和CuCsY催化剂. 与CuY催化剂相比, 加入Ce, La和Cs催化剂的甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯的催化活性均显著提高. 采用元素分析, XRD, H₂-TPR, CO-TPD, CH₃OH-TPD, XPS等对催化剂微观结构进行了表征分析. 结果表明, 阳离子Ce和La促进了Cu^2＋在分子筛超笼内的落位, 在高温活化中有利于转化为更多的活性物质Cu^＋, 从而提高了催化剂的活性|阳离子Cs阻碍了Cu^2＋在分子筛超笼内的落位, 不利于催化活性的提高. 但阳离子的引入, 减弱了催化剂对CO的吸附, 加强了对CH₃OH的吸附(CuCeY除外), 而CuCsY催化剂对CO的吸附最弱, 对CH₃OH的吸附最强, 使其催化活性最佳. 另外, 阳离子的引入加大了催化剂Cu^2＋的自还原难度, 但相比CuCeY, CuLaY催化剂, CuCsY催化剂中Cu^2＋自还原难度最小, 高温活化中更容易转化为活性物质Cu^＋, 利于其活性的提高.     

酸处理对CuY催化剂孔结构及氧化羰基化性能的影响

对NaY分子筛(n_Si/n_Al=2.65)进行了草酸脱铝处理并作为载体采用液相离子交换法制备CuY催化剂,应用于常压甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应。NaY分子筛及其CuY催化剂通过N₂低温吸附-脱附、透射电子显微镜、X射线衍射、²⁹Si固体核磁共振、NH₃吸附程序升温脱附、吡啶吸附红外光谱、H₂程序升温还原、原子吸收等方法进行表征。研究结果表明,酸处理NaY分子筛后,骨架铝被脱除,导致骨架n_Si/n_Al比增加、相对结晶度降低并产生介孔,有利于产物分子的扩散,从而影响催化活性。采用4 h、2 mol·L^-1草酸处理NaY分子筛作为载体制备的CuY催化剂显示出较高的催化性能,DMC时空收率和甲醇转化率分别从103.6 mg·g^-1·h^-1和6.3%增加到184.9 mg·g^-1·h^-1和10.2%。产生的介孔能够促进催化剂中铜活性位的可接近性及反应物分子和产物分子的扩散。     

酸处理对CuY催化剂孔结构及氧化羰基化性能的影响

对NaY分子筛(n_Si/n_Al=2.65)进行了草酸脱铝处理并作为载体采用液相离子交换法制备CuY催化剂, 应用于常压甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应。NaY分子筛及其CuY催化剂通过N₂低温吸附-脱附、透射电子显微镜、X射线衍射、²⁹Si固体核磁共振、NH₃吸附程序升温脱附、吡啶吸附红外光谱、H₂程序升温还原、原子吸收等方法进行表征。研究结果表明, 酸处理NaY分子筛后, 骨架铝被脱除, 导致骨架n_Si/n_Al比增加、相对结晶度降低并产生介孔, 有利于产物分子的扩散, 从而影响催化活性。采用4 h、2 mol·L^-1草酸处理NaY分子筛作为载体制备的CuY催化剂显示出较高的催化性能, DMC时空收率和甲醇转化率分别从103.6 mg·g^-1·h^-1和6.3%增加到184.9 mg·g^-1·h^-1和10.2%。产生的介孔能够促进催化剂中铜活性位的可接近性及反应物分子和产物分子的扩散。     

介孔调变对CuY催化剂甲醇氧化羰基化反应活性的影响

碱溶液处理NaY分子筛形成的介孔有利于反应物及产物分子的扩散,调节碱溶液浓度可控制Y分子筛中的介孔结构,通过溶液离子交换法制备CuY催化剂,研究了NaY分子筛介孔结构调变对CuY催化剂催化甲醇氧化羰基化反应活性的影响。通过BET、~(29)Si-NMR、XRD、NH_3/CO-TPD、H_2-TPR和TEM等表征及催化活性分析表明,在碱溶液处理过程中,NaY分子筛骨架中的Si(0Al)和Si(1Al)原子被优先脱除,且笼结构坍塌使得临近超笼连接,逐步形成直径为3.47~3.66 nm,孔容介于0.142~0.226cm~3·g~(-1)的介孔,在提高反应物分子和产物分子扩散性能的同时,提高了活性物种的可接近性。随着碱液浓度的增加,CuY催化剂的催化活性先升高后降低。当碱液浓度为0.2 mol·L~(-1)时,NaY分子筛介孔直径为3.47 nm,孔容达到最大(0.226 cm~3·g~(-1)),相应CuY催化剂DMC的时空收率、选择性和甲醇转化率分别达到204.0 mg·g~(-1)·h~(-1)、67.8%和14.0%,活性最佳。     

介孔调变对CuY催化剂甲醇氧化羰基化反应活性的影响

碱溶液处理NaY分子筛形成的介孔有利于反应物及产物分子的扩散,调节碱溶液浓度可控制Y分子筛中的介孔结构,通过溶液离子交换法制备CuY催化剂,研究了NaY分子筛介孔结构调变对CuY催化剂催化甲醇氧化羰基化反应活性的影响。通过BET、²⁹Si-NMR、XRD、NH3/CO-TPD、H₂-TPR和TEM等表征及催化活性分析表明,在碱溶液处理过程中,NaY分子筛骨架中的Si（0Al）和Si（1Al）原子被优先脱除,且笼结构坍塌使得临近超笼连接,逐步形成直径为3.47~3.66 nm,孔容介于0.142~0.226 cm³·g^-1的介孔,在提高反应物分子和产物分子扩散性能的同时,提高了活性物种的可接近性。随着碱液浓度的增加,CuY催化剂的催化活性先升高后降低。当碱液浓度为0.2 mol·L^-1时,NaY分子筛介孔直径为3.47 nm,孔容达到最大（0.226 cm³·g^-1）,相应CuY催化剂DMC的时空收率、选择性和甲醇转化率分别达到204.0 mg·g^-1·h^-1、67.8%和14.0%,活性最佳。     

CuNaY分子筛的制备及其催化甲醇氧化羰基化

采用多种铜盐溶液与NaY分子筛离子交换制备了CuNaY催化剂,通过加入氨水提高溶液pH值以及高温活化,显著提高了该催化剂对甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯的反应活性。不同的铜盐水溶液交换制备的CuNaY催化剂催化活性不同,添加氨水将溶液pH值调节为11后,离子交换制备的CuNaY催化剂的催化活性和DMC选择性明显升高且趋于一致。经元素分析、XRD、XPS和H₂-TPR表征可知,加入氨水可促进Cu²⁺离子交换的进行,提高CuNaY催化剂中Cu的交换量,催化剂中约75%的Cu²⁺定位于分子筛的超笼中。     

甲醇气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯的研究

制备了甲醇气相氧化羰基化催化合成碳酸二甲酯催化剂，在常压固定床反应装置上评价了其反应性能，考察了且剂和载体的影响。结果表明：负载在活性炭载体上的单一金属氯化物催化剂的活性相当低，而双金属氯化物催化剂ＰｄＣｌ２－ＣｕＣｌ２／ＡＣ可明显提高碳酸二甲酯的产率。不同的活性炭载体显著地反应活性。碱性助剂Ｋ、Ｍｇ能大幅度增加碳酸二甲酯的时空收率和对ＣＯ的选择性，但必需以乙酸的形式加入，ＰｄＣｌ－ＣｕＣｌ２－Ｃ     

NH4+交换度对 CuY催化剂上甲醇氧化羰基化反应性能的影响

碳酸二甲酯(DMC)是一种应用极其广泛的绿色化工产品,其中经济、绿色的甲醇氧化羰基化合成 DMC工艺极具工业前景,而 Y分子筛负载铜(CuY)是有效催化剂之一.众所周知, CuY催化剂上的 Cu+是催化活性中心. Cu+催化活性中心的引入方式用两种：(1) CuCl直接与 HY分子筛固相离子交换;(2) Cu2+与 NaY分子筛溶液离子交换,然后 Cu2+自还原生成活性中心 Cu+.在无溶剂条件下制备 CuY催化剂时,载体 HY分子筛中的可交换位 H+量是决定催化剂 CuY氧化羰基化催化性能的关键因素.文献通过以不同硅铝比的 HY分子筛为载体制备的催化剂 CuY,研究铜离子可交换位 H+量对氧化羰基化的影响,然而,硅铝比的不同也直接影响了分子筛骨架的组成、Si–O–Al的键角、甚至影响了 Al3+的分散度,这些因素都直接影响了 CuY催化剂活性.因此,研究 NaNH4Y分子筛载体中的可交换位(NH4+)的量与 CuY催化剂活性间的关系具有非常重要的意义.本文将 NaY分子筛与不同浓度的 NH4NO3溶液进行离子交换,制得具有不同 NH4+交换度的 NaNH4Y分子筛,以其为载体,以具有易升华、易分解性质的乙酰丙酮铜 Cu(acac)2为铜源,在无溶剂条件下,高温热处理二者固相混合物, NaNH4Y 分子筛中的 NH4+与 Cu(acac)2中的 Cu2+发生了离子交换, Cu2+进一步发生自还原生成活性中心 Cu+,成功地制备了完全无氯的 CuY催化剂,应用于催化常压甲醇氧化羰基化合成 DMC过程,研究 NaNH4Y分子筛中的铜离子可交换位 NH4+与催化剂 CuY催化性能间的关系.通过各种表征及对 CuY催化剂在甲醇氧化羰基化过程中催化活性分析发现, Y分子筛经过 NH4NO3溶液离子交换及催化剂的制备过程,其八面沸石结构和孔道保持良好.以未经过离子交换的 NaY负载的 CuY催化剂上的铜物种完全以 CuO形式存在,且没有催化活性.随着 NH4+交换度增加, CuY催化剂表面 CuO含量逐渐降低,而活性中心 Cu+含量逐渐增加,且其催化活性也随之增加.当 NH4+交换度趋于极限值时, CuY催化剂中 Cu+含量达最大,其催化活性也达最佳, DMC的时空收率和选择性分别为267.3 mg/(g·h)和68.5%,甲醇转化率为6.9%.因此,无溶剂条件下,以 NaNH4Y分子筛为载体, Cu(acac)2为铜源,制备完全无氯 CuY催化剂时, NH4+是形成 Cu+活性中心的必须条件,且 NH4+交换度直接影响催化剂 CuY的催化活性.     

甲醇气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯的研究Ⅲ. 催化剂的失活再生

碳酸二甲酯 (ＤＭＣ)是一种对环境友好的绿色化学品 ,其洁净合成工艺的开发 ,已引起国内外研究者的广泛重视。真田等人[1 ] 对ＰｄＣｌ2 存在下ＣＯ和亚硝酸甲酯反应合成ＤＭＣ过程所用催化剂的失活原因和再生方法进行了研究 ,认为ＰｄＣｌ2 中的Ｃｌ被还原消除生成氯甲酸甲酯导致催化剂失活 ,并发现氯甲酸甲酯在ＤＭＣ合成中可使Ｐｄ催化剂再生和提高寿命。ＤＯＷ公司[2 ] 开发的气相氧化羰基化法催化剂ＣｕＣｌ2-ＫＣｌ ＡＣ易失活 ,该催化剂运行 50～ 1 0 0ｈ后需进行再生。再生时 ,于 1 2 0℃条件下通入 1 0 %ＨＣｌ Ｎ2 混合物 ,再生后…     

反应过程中Cu物种演变对其催化甲醇氧化羰基化反应活性的影响

以NH₄Y分子筛为载体、 乙酰丙酮铜为铜源, 采用固相反应法制备了无氯CuY催化剂, 并用于催化甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC). 结合不同反应时间催化剂的X射线衍射(XRD)、 N₂吸附-脱附、 热重(TG)、 程序升温脱附/还原(NH₃-TPD/H₂-TPR)、 透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征结果, 分析了反应过程中Cu物种演变对其催化活性的影响. 结果表明, 新鲜催化剂中铜物种主要以Cu⁺形式存在, 占铜物种的48%; 随着反应的进行, 活性中心Cu⁺逐渐被氧化为Cu²⁺, 进而生成CuO物种, 部分CuO逐渐迁移至催化剂外表面. 在反应100 h内, Cu⁺含量逐渐减小至36.7%, CuO含量增加, 导致DMC的时空收率及选择性不断下降, 副产物二甲氧基甲烷(DMM)和甲酸甲酯(MF)的选择性逐渐提高. 当反应时间延长至190 h时, Cu⁺含量为33.6%, 略有下降, DMC的时空收率和选择性趋于平稳. 继续延长反应时间至300 h, 催化剂中铜物种状态基本不变, 催化剂催化性能保持稳定.     

载体H+含量对CuY甲醇氧化羰基化反应性能影响

通过过量浸渍Cu(NO_3)_2溶液于Y分子筛载体上,制备出Cu负载量为6.4%的CuY催化剂,考察了甲醇氧化羰基化反应的催化性能,并采用X射线衍射(XRD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、透射电子显微镜(TEM)和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等手段对催化剂表面微观结构进行了表征。研究表明,随Y分子筛载体H+含量的增加,可使更多Cu物种落位于分子筛微孔笼结构中,且高度分散,而笼内未交换的Na+能进一步促进铜物种更多落位于载体超笼结构中,形成更多甲醇氧化羰基化反应的Cu+活性中心。同时随铜物种引入,催化剂中产生了明显的中强酸,酸量随落位于载体笼结构中的Cu物种的增加而增加,催化剂总酸量随之增加,导致甲醇氧化羰基化产物分布发生改变,碳酸二甲酯(DMC)选择性明显降低。对比等体积浸渍法制备的92.3%的高DMC选择性CuY催化剂,以不含H+的NaY分子筛为载体,过量浸渍法制备的CuY催化剂酸量少、Cu物种活性中心多,在保持82.4%的高DMC选择性时,其DMC的时空收率(STY)也高达109.1mg·g~(-1)·h-1。     

用于甲醇直接气相氧化羰基化的负载铜催化剂

 采用浸渍法制备了负载型铜基催化剂,并用其催化甲醇直接气相氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC), 考察了浸渍溶剂、载体、助催化剂和铜含量的影响. 结果表明,以CuCl为活性组分原料、浓氨水为浸渍溶剂和活性炭为载体制得的负载铜催化剂显示出很高的催化活性,在特定的反应条件下,该催化剂上甲醇的转化率可达27.7%, DMC选择性可达95%. 分子筛负载的铜催化剂上甲醇的转化率低于1%, 但是生成DMC的选择性高达100%. 催化剂活性随着Cu负载量的增加而增大,但负载量过高可引起甲醇的过度氧化反应,导致DMC选择性下降. 催化剂中添加KOH或钯化合物,有利于提高以CuCl2为活性组分原料制得的铜催化剂的活性,但同时也促进了副反应的发生. 随着反应时间的延长,催化剂的活性组分流失,活性下降,但是生成DMC的选择性维持在95%左右.     

CuCl／SiO2-Al2O3催化剂的表面结构及甲醇氧化羰基化催化性能

通过掺杂Al对无定形层析硅胶进行表面改性,采用固体离子交换法制备了CuCl/SiO2-Al2O3催化剂,并考察了它在甲醇液相氧化羰基化合成碳酸二甲酯反应中的催化性能.结果表明,掺杂Al制备的SiO2-Al2O3载体仍保持了硅胶的无定形结构,比表面积降为200m2/g,但表面酸性明显增强,具有B酸中心.CuCl不仅分散于SiO2-Al2O3载体表面,而且与载体表面的B酸发生离子交换作用形成了表面Cu 物种,使催化剂比表面积降为148m2/g,且两种Cu 物种共同构成了催化活性中心.当CuCl/SiO2-Al2O3催化剂的Si/Al比为5,在500℃焙烧时,催化剂上甲醇氧化羰基化反应的碳酸二甲酯的选择性和时空收率分别达到74%和1.27g/(g.h).