丙烯气相一步氧化制环氧丙烷用Ag-Mo催化剂的研究

 用浸渍法和溶胶－凝胶法制备了一系列以银及氧化钼为活性组分，负载于不同载体上的催化剂．在以分子氧为氧化剂，且原料气中不添加任何抑制剂的情况下，采用微反－色谱联合装置考察了催化剂对丙烯气相一步氧化制环氧丙烷的催化性能．结果表明，载体和助剂对催化剂上丙烯环氧化性能产生明显的影响．以TiO2－ZrO2为载体，CsNO3－NaCl为助剂的Ag－MoO3催化剂具有较好的催化性能，在400℃下，氧的转化率和环氧丙烷的选择性可分别达到11．3％和34．8％；在450℃下，氧的转化率和环氧丙烷的选择性可分别提高到33．0％和35．3％．采用溶胶－凝胶法制备的MoO3／SiO2催化剂对丙烯气相一步环氧化反应也具有一定的催化活性．     

负载型纳米金催化剂用于丙烯气相环氧化反应的研究进展

丙烯气相选择氧化制备环氧丙烷是催化领域的难题之一,负载型纳米金催化剂因在氢气和氧气共存条件下对环氧丙烷具有高选择性而被广泛研究,并在丙烯转化率、反应稳定性、氢气有效利用率上都取得了长足的进步。本文综述了负载型纳米金催化剂用于丙烯气相环氧化反应的研究结果和发展趋势。重点阐述了催化剂制备方法、载体材料、金粒径、催化助剂等对丙烯气相环氧化反应的影响。最后,综合各催化剂的优缺点,分析并展望了具有高转化率与高选择性的纳米金催化剂的前景和发展方向。     

丙烯气相环氧化催化剂及其机理研究

环氧丙烷是一种重要的化工中间体,广泛应用于化工、医药、食品、轻工等行业。环氧丙烷的传统工业生产方法--氯醇法和共氧化法存在着很多缺点,而最新开发的H₂O₂氧化法则存在催化剂寿命短、H₂O₂利用率低等问题没有根本解决。本文对环氧丙烷更为有前景的生产方法--以分子氧为氧源的气相选择性氧化丙烯的研究进展进行了总结,着重介绍了丙烯气相环氧化反应中的金、银、铜、铋-钼、钒、熔融盐催化剂以及其他以氧气为氧源的金属催化剂的研究进展,同时对丙烯气相氧化过程中涉及到的金催化剂的Ti活性位机理,铜、银催化剂上的金属环氧化中间物机理,银及其他金属的自由基机理作了相应的介绍。     

用于丙烯气相一步氧化制环氧丙烷的Ag-MoO3/分子筛催化剂

用浸渍法制备了一系列以各种分子筛为载体、银及氧化钼为活性组分的负载型催化剂。在以分子氧为氧化剂，且原料气中不添加任何抑制剂的情况下，采用微反-色谱联合装置考察了催化剂对丙烯气相一步氧化制环氧丙烷的催化性能。结果表明，Ag含量、反应温度、载体及助剂对催化剂环氧化性能的影响非常明显。以MCM-41为载体的Ag-MoO3催化剂具有较好的催化性能，在300℃下，环氧丙烷的选择性和氧气的转化率可分别达到55．4％和2．2％；另外，0．1％NaCl改性的20％Ag5％MoO3/NaZSM-5催化剂在350℃下，环氧丙烷的选择性从未改性的9．1％提高到34．7％。     

丙烯直接环氧化Cu基催化剂的研究进展与挑战

作为一种重要的化工原料,环氧丙烷年产量近千万吨,然而目前工业上制备环氧丙烷的方法仍然面临着成本高、副产物多以及污染严重等问题。直接氧气氧化法进行丙烯环氧化因为具有原子经济、环保等优点受到了越来越多的关注。但是,催化过程中丙烯的α-H和环氧丙烷都具有很高的活性,使得在高转化率的条件下提升环氧丙烷选择性成为一个巨大的挑战。研究者们发现相较于其他币族金属,Cu基催化剂表现出更优异的丙烯直接环氧化反应性能。本综述总结梳理了近年来关于Cu基催化剂催化丙烯直接环氧化反应的研究成果,聚焦于Cu基催化剂改性方法,并对Cu基催化剂依然存在的问题和挑战进行深入探讨。     

Sn改性的Au/TS-1催化剂上丙烯气相环氧化反应研究

以Sn改性的TS-1分子筛为载体,利用沉积沉淀法制备了金催化剂,用于在氢气氧气共存下丙烯直接环氧化反应,并比较了不同Sn掺杂量对催化剂结构及其催化性能的影响.X射线衍射与红外光谱结果表明,Sn掺杂进入TS-1骨架中.反应活性结果表明,Sn的改性使催化剂上丙烯的转化率由1.6提高到2.5%,环氧丙烷的选择性由87上升到90%,活性的增加可能是由于Sn的掺入引起的配位效应(ligand effect).     

Ag-MoO3催化丙烯直接气相环氧化反应的原位红外研究

制备了对丙烯直接气相环氧化具有较好催化性能的Ag-MoO3催化剂, 采用原位FT-IR技术研究了丙烯、环氧丙烷及丙烯+氧气的混合气在Ag和Ag-MoO3催化剂表面上的吸附及反应行为. 研究表明, 丙烯在Ag和Ag-MoO3催化剂表面上吸附后, 均不发生化学反应, 而环氧丙烷吸附后在较高温度下则发生开环和聚合反应直至产生积炭. 与Ag催化剂相比, 在Ag-MoO3催化剂上, MoO3的加入在降低催化剂活性的同时, 在一定程度上抑制了产物环氧丙烷的开环及深度反应, 使环氧丙烷的选择性提高. 另外, 在较低的反应温度和较短的滞留时间下, 环氧丙烷发生深度反应的程度明显降低.     

Cu／SiO2催化剂上丙烯在空气中的直接环氧化反应

 制备了一系列用NaCl修饰的Cu／SiO2催化剂，考察了它们对丙烯在空气中直接环氧化反应的催化性能，并利用TPR表征手段对催化剂的活性中心进行了初步探讨．在最佳反应条件下，丙烯转化率为0．16％，环氧丙烷选择性达到44％．在反应气中加入氢后，环氧丙烷的选择性显著提高，并且催化剂稳定性大大增强．反应结果表明，还原态的低价铜可能是催化剂的活性中心，NaCl与铜离子结合而生成新物种可能在催化反应过程中起到关键作用．     

在溶胶-凝胶法制备的MoO3/SiO2催化丙烯的环氧化反应

 以sol－gel法制备了MoO3／SiO2催化剂，并用BET比表面积测定，XRD和FT－IR等手段对催化剂进行了表征；研究了以过氧化氢异丙苯为氧化剂的丙烯一步环氧化反应，考察了催化剂的制备条件和反应条件对丙烯环氧化反应的影响．结果表明，在制备过程中，酸性水解剂对MoO3／SiO2催化剂的分散度、比表面积和催化性能有较大的影响．用HCl溶液作为水解剂制备的催化剂，其性能明显优于用HNO3或HAc作水解剂制备的催化剂．在110℃和0．6MPa的条件下反应2h，过氧化氢异丙苯转化率为89％，环氧丙烷选择性为80％．     

不同沉淀剂制备的Ag／TS－1催化丙烯直接气相氧化合成环氧丙烷

 在423K、常压固定床石英反应器中，以丙烯直接气相氧化为探针反应，考察了催化剂制备方法、沉淀剂的种类和浓度对制备的Ag／TS－1催化剂催化性能的影响，采用TEM，XRD和UV－Vis等表征手段对Ag／TS－1催化剂进行了分析．结果表明，沉积－沉淀法是最佳的催化剂制备方法，但浸渍法也可制得具有环氧丙烷选择性的催化剂．K2CO3是一种良好的沉淀剂．以K2CO3为沉淀剂，硅钛比为64的TS－1为载体制备的Ag／TS－1催化剂上的丙烯转化率为1．72％，环氧丙烷选择性为98．2％．少量单质银的存在有利于环氧丙烷的生成，除银粒子的分散状态外，银粒子与载体TS－1间的相互作用对提高催化剂的选择性具有决定性作用．     

The Role of Active Oxygen Transfer through the Gas Phase in Propylene Oxidation over a Bismuth–Molybdenum Catalyst

The transfer of atomic oxygen from the surface of bismuth oxide onto molybdenum oxide through the gas phase, including the case when ozone was fed to the catalyst bed, is experimentally studied. It is found that the transfer of atomic oxygen through the gas phase only leads to the formation of the products of complete oxidation of propylene under conditions of heterogeneous propylene oxidation on the mixture of molybdenum and bismuth oxides. No new sites are formed on the surface of molybdenum oxide.     

Ti-Si复氧化物载体对金催化剂上丙烯环氧化的影响

 以TiCl4和SiCl4为原料,采用水解和非水水解溶胶-凝胶两种方法制备了一系列不同Ti含量的Ti-Si复氧化物载体,继而用沉积-沉淀法制得载金催化剂. 采用X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱、 N2吸附和高分辨透射电镜对催化剂进行了表征,并考察了催化剂在氢气和氧气存在下的丙烯气相环氧化催化性能. 研究表明,钛含量在6%～14%范围内时,两种方法制得的Ti-Si复氧化物均为无定形结构,但采用非水水解溶胶-凝胶法制得的载体比表面积较高. 以非水水解溶胶-凝胶法制备的钛含量10%的Ti-Si复氧化物为载体得到的载金催化剂表现出较高的活性和选择性,反应60 min时,丙烯转化率为5.7%, 240 min后降为3.3%, 环氧丙烷的选择性稳定于95%左右. 还考察了非水水解溶胶-凝胶的陈化时间和金沉积-沉淀溶液的pH值等对反应结果的影响.     

Organorhenium(VII) and organomolybdenum(VI) oxides: syntheses and application in olefin epoxidation

The first members of the classes of the organorhenium(VII) oxides and organomolybdenum(VI) oxides were described during the 1960s and 1970s. However, despite the fact that methyltrioxorhenium(VII)(MTO) is probably the best examined organometallic oxide known, many of its derivatives as well as the Mo congeners were not tested for any application. Nevertheless, it is known that several organomolybdenum oxides, particularly those of formula eta5-(C5R5)MoO2Cl and eta5-(C5R5)MoO2R' are powerful epoxidation catalysts if applied together with tert-butylhydroperoxide (TBHP). MTO catalyzes a broad variety of organic reactions, among them being olefin epoxidation--in this case with the "green" oxidant H2O2- the most thoroughly examined. The heterogenization of the molybdenum compounds as well as of MTO both on carrier materials and in ionic liquids has already been achieved and it is to be expected that a suitable modification of the organic ligands will lead to applications in chiral catalysis in the near future.     

Monitoring Silica Supported Molybdenum Oxide Catalysts at Work: A Raman Spectroscopic Study

The structure of silica SBA‐15‐supported molybdenum oxide catalysts is investigated during selective oxidation of propylene at 500 °C using operando Raman spectroscopy. The active catalysts contain mixtures of dispersed molybdenum oxide species exhibiting monooxo and dioxo structure. An increase in molybdenum oxide loading results in a decrease of the ratio of dioxo and monooxo species from 3.8 to 1.9, as determined by quantitative analysis of Raman spectra. Additional in situ Raman studies at 500 °C reveal that the dioxo/monooxo ratio increases in the presence of steam at higher molybdenum oxide loadings. The observed structural changes are assigned to shifts in the equilibrium between dioxo and monooxo species resulting from hydration/dehydration of the catalyst. This study demonstrates that the detailed structure of nanostructured molybdenum oxide catalysts depends on temperature, gas‐phase composition, and molybdenum oxide loading.     

分子氧气相环氧化丙烯反应的Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂:Cu和Cl负载量的影响

环氧丙烷(PO)是一种重要的有机化工中间体,可以用来生产聚氨酯、丙二醇和表面活性剂等化工产品,具有很高的工业应用价值.然而,目前PO的生产工艺仍然存在着环境污染、副产物、原料经济性等不足之处.考虑到环保、技术、资金等关键性问题,丙烯气相环氧化工艺是PO生产工艺未来的发展方向,利用分子氧作为氧化剂的丙烯气相环氧化反应是最理想、原子经济性最高的反应,也是当今催化界最具挑战性的课题之一.研究报道Ag基催化剂和Cu基催化剂催化丙烯气相环氧化反应可得到较好的催化性能.尽管Ag催化剂催化乙烯氧化制环氧乙烷反应已成功实现工业化,但是Ag催化剂催化丙烯环氧化反应得到的PO选择性低于10%,这是由于丙烯比乙烯多出的甲基中的α-H受双键影响变得非常活泼,C?H键易断裂,导致丙烯容易发生完全氧化反应生成CO2.因此,研究报道采用不同助剂对Ag催化剂进行改性以提高Ag基催化剂的催化性能.我们在前期研究中制备了Ag-CuCl2/BaCO3催化剂,当CuCl2的负载量为0.036 wt%Cu和0.040 wt%Cl时,催化剂具有最优的催化性能,可以得到1.3%的丙烯转化率和71.2%的PO选择性.适量CuCl2的改性使得催化剂表面吸附分子氧物种,同时抑制原子氧物种的形成,从而提高PO选择性.但是CuCl2作为前驱体有一个不足之处,就是引入的Cu和Cl的比例是恒定的,不可调节.因此,我们以Cu(NO3)2和NH4Cl作为Cu和Cl的前驱体,采用还原-沉积-等体积浸渍法制备Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂,分别通过调节Cu和Cl的负载量来进一步提高Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂的催化性能,采用粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和氧气程序升温脱附(O2-TPD)等表征手段来研究催化剂中Cu和Cl的作用.研究发现,Cl负载量的提高更容易导致大尺寸Ag颗粒的形成,而Cu负载量的提高对Ag颗粒尺寸影响不大.适当的Cl负载量可抑制氧气在催化剂表面解离吸附形成原子氧物种,从而抑制了丙烯的完全氧化,提高PO选择性.过高的Cl负载量会导致催化剂发生Cl中毒,从而降低了催化性能.适当的Cu负载量有利于丙烯气相环氧化反应生成PO,但当Cu负载量过高时容易导致Cu物种发生聚集,更多原子氧物种吸附于Ag颗粒表面,有利于丙烯完全氧化反应生成CO2,降低了PO选择性.适当的Cu和Cl负载量使得催化剂表面吸附的分子氧物种和原子氧物种达到平衡,有利于丙烯气相环氧化反应.当Cu和Cl负载量分别为0.036 wt%和0.060 wt%时,Ag-Cu-Cl/BaCO3催化剂具有最优的催化性能,在200℃,0.1 MPa,3000h-1反应条件下可得到1.2%的丙烯转化率和83.7%的PO选择性.     

α-和γ-环糊精改性法制备的Ni/SBA-15催化剂的物化性质及其在甲烷二氧化碳重整中的催化性能

以多羟基有机物α-或γ-环糊精为分散促进剂制备了Ni/SBA-15催化剂，通过N2吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、程序升温还原和热重等手段对该催化剂的物理化学性质进行了表征，并将其应用于甲烷二氧化碳重整(CRM)制合成气反应。结果显示，与采用传统浸渍法制备的Ni/SBA-15催化剂相比，采用α-或γ-环糊精改性法制备的催化剂具有更小的NiO颗粒，并在CRM中显示出更高的催化活性及更强的抗积碳性能。机理研究表明，采用传统浸渍法制备Ni/SBA-15催化剂时，浸渍液中的Ni2+主要在浓度梯度的作用下逐渐进入到SBA-15孔道内部， Ni2+水合物容易团聚，分散程度较低；而采用α-或γ-环糊精改性方法制备催化剂时，在水溶液中Ni2+与环糊精形成包覆物，环糊精携带Ni2+进入SBA-15孔道内，并且环糊精的存在使得Ni2+之间相互隔离，以高度分散形态存在于SBA-15孔道表面，有利于后续热处理中NiO在载体上较好地分散。     

铜配合物修饰的钼氧簇超分子化合物催化烯烃环氧化

近年来,含有过渡金属配合物和多金属氧酸盐的三维超分子化合物的合成与性能研究受到广泛关注.利用过渡金属配合物优良的可裁剪性和修饰性,可以对多金属氧酸盐化合物的结构和性质进行有效调控,进而构造出具有独特空间结构和性质的新型功能材料.这类材料往往具有多金属氧酸盐与过渡金属配合物两者结合的优点,在医学、光学、磁性材料、气体吸附材料及催化等领域显示出重要的学术研究价值和潜在的应用前景.然而,相比于在化合物合成及结构研究领域中的快速发展,过渡金属配合物修饰的多金属氧酸盐基化合物在催化领域中应用较少.本文采用水热合成法,以4,4′-联吡啶(bipy)或1,4′-双咪唑-1-甲基苯(bix)为氮杂环配体,合成了两个铜配合物修饰的钼氧簇超分子化合物催化剂,分别记为[Cu(bipy)]4[Mo15O47]·2H2O (1)和[Cu(bix)][(Cubix)(δ-Mo8O26)0.5](2).催化剂1中包含一个由铜的4,4′-联吡啶有机链修饰的钼氧簇链,催化剂2是由1,4′-双咪唑-1-甲基苯有机配体、铜离子和八钼酸盐构筑的具有自穿插结构的超分子化合物.通过以叔丁基过氧化氢为氧化剂的烯烃环氧化催化反应,考察了两种催化剂的催化性能.结果表明,催化剂1和2对环辛烯或1-辛烯环氧化反应表现出较高的催化活性,性能均明显优于未引入铜配合物的超分子化合物(H2bix)[(Hbix)2(γ-Mo8O26)]2·H2O (3);在相同反应条件下,催化剂1表现出更高的催化活性;溶剂种类显著影响催化剂的催化性能,以乙腈为溶剂时,苯乙烯环氧化反应主产物为苯甲醛(仅有很少量的环氧化合物),而以氯仿为溶剂时,环氧化合物选择性显著提高;中断实验和循环测试结果表明,催化剂1和2在1-辛烯环氧化反应中均表现出良好的稳定性和循环使用性. FT-IR和XRD表征结果证实,经多次循环使用后催化剂结构基本保持不变,表明催化剂具有良好的结构稳定性. XPS表征结果表明,催化剂1中钼的正电性高于催化剂2,这是由于配体类型不同及钼氧簇结构不同所致.拥有较高正电性的钼物种通常会表现出更高的催化烯烃环氧化反应能力,这可能是催化剂1的催化活性优于催化剂2的主要原因.此外,通过结构分析可以看出,催化剂1具有更开放的框架结构,这更有利于反应物扩散,继而使催化剂表现出更高的催化活性.需要指出的是,催化剂1和2中存在的铜配合物也可能直接作为新的活性中心参与对氧化剂的活化,继而对催化剂性能(活性和选择性)产生影响;此外,铜配合物与钼氧簇之间较强的相互作用使所形成的超分子化合物具有良好的结构稳定性,继而使这类超分子化合物催化剂表现出较为优异的稳定性和循环使用性.     

Effect of size of catalytically active phases in the dehydrogenation of alcohols and the challenging selective oxidation of hydrocarbons

The size of the active phase is one of the most important factors in determining the catalytic behaviour of a heterogeneous catalyst. This Feature Article focuses on the size effects in two types of reactions, i.e., the metal nanoparticle-catalysed dehydrogenation of alcohols and the metal oxide nanocluster-catalysed selective oxidation of hydrocarbons (including the selective oxidation of methane and ethane and the epoxidation of propylene). For Pd or Au nanoparticle-catalysed oxidative or non-oxidative dehydrogenation of alcohols, the size of metal nanoparticles mainly controls the catalytic activity by affecting the activation of reactants (either alcohol or O(2)). The size of oxidic molybdenum species loaded on SBA-15 determines not only the activity but also the selectivity of oxygenates in the selective oxidation of ethane; highly dispersed molybdenum species are suitable for acetaldehyde formation, while molybdenum oxide nanoparticles exhibit higher formaldehyde selectivity. Cu(II) and Fe(III) isolated on mesoporous silica are highly efficient for the selective oxidation of methane to formaldehyde, while the corresponding oxide clusters mainly catalyse the complete oxidation of methane. The lattice oxygen in iron or copper oxide clusters is responsible for the complete oxidation, while the isolated Cu(I) or Fe(II) generated during the reaction can activate molecular oxygen forming active oxygen species for the selective oxidation of methane. Highly dispersed Cu(I) and Fe(II) species also function for the epoxidation of propylene by O(2) and N(2)O, respectively. Alkali metal ions work as promoters for the epoxidation of propylene by enhancing the dispersion of copper or iron species and weakening the acidity.     

改性Ag/α-Al_2O_3催化丙烯气相环氧化反应

制备了以分子氧为氧化剂,对丙烯气相环氧化具有较好催化性能的改性负载银催化剂,并利用氧气程序升温脱附(O2-TPD)技术研究了氧在其表面上的脱附行为.实验结果表明:Ag/α-Al2O3催化剂只能使丙烯完全氧化成二氧化碳和水;当该催化剂用K2O改性后,可获得少量的环氧丙烷;Y2O3改性的Ag/α-Al2O3催化剂,可获得极少量的丙醛和丙酮;将0.1%(w)Y2O3添加到Ag-K2O/α-Al2O3后,可以显著提高催化剂的丙烯环氧化性能.在0.1MPa、245℃、20%C3H6/8%O2/72%N2和气体空速2000h-1的反应条件下,通过20%(w)Ag-0.1%Y2O3-0.1%K2O/α-Al2O3催化剂时,丙烯转化率为4.0%,环氧丙烷的选择性为46.8%.O2-TPD研究表明,少量的Y2O3、K2O或Y2O3-K2O作为助剂添加到20%Ag/α-Al2O3催化剂中时,减少了高温区与丙烯完全氧化有关的吸附氧物种的量,低温区余下的吸附氧物种量不变,有利于丙烯环氧化反应,提高了环氧丙烷的选择性.