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.     

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。     

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。     

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.     

分子氧气相环氧化丙烯反应的Ag-Cu-Cl/BaCO_3催化剂:Cu和Cl负载量的影响（英文）

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CO_2.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-CuCl_2/BaCO_3催化剂,当CuCl_2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CuCl_2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CuCl_2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(NO_3)_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/BaCO_3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/BaCO_3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CO_2,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/BaCO_3催化剂具有最优的催化性能,在200 ℃,0.1MPa,3000 h~(-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.     

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).     

以Mo-EDTA为钼源直接水热合成Mo-MFI分子筛及其催化环己烯环氧化性能

环氧化物是一种重要的有机化工原料,广泛应用于合成化学、聚合物合成、食品化学、药物化学等领域中.烯烃催化环氧化反应是制备环氧化物的主要方法.一些均相钼配合物催化剂对烯烃环氧化反应表现出较好的催化性能.然而均相催化剂在实际生产中存在与产物分离困难、不易循环利用等问题.为解决上述问题,研究人员采用不同策略将各种钼配合物负载在固体载体上,制备出活性相对较高的多相钼配合物催化剂.然而,这类负载型钼配合物催化剂在以双氧水为氧化剂的反应体系中普遍存在活性组分易于流失的问题,导致催化剂的稳定性相对较差.因此,设计制备具有高活性和高稳定性的多相钼基烯烃环氧化催化剂具有重要的科学意义和实用价值.将过渡金属引入到具有MFI型拓扑结构的微孔分子筛的骨架上能够制备出具有高活性和高稳定性的杂原子分子筛催化剂.例如,采用直接水热法合成的钛硅分子筛(如TS-1)对以双氧水为氧化剂的小分子烯烃(如丙烯)环氧化反应表现出非常高的活性和稳定性.受这一研究结果启发,研究人员还开展了水热法合成Mo原子取代的MFI型分子筛(Mo-MFI).然而,由于Mo的离子半径较大(与Si相比),且合成体系中的Mo物种在碱性条件下易于发生沉淀,导致引入到分子筛骨架或孔道中的Mo含量极低.本文以Mo-EDTA配合物为钼源,四丙基氢氧化铵为模板剂,正硅酸乙酯为硅源,采用一步水热法合成了系列具有不同钼含量的Mo-MFI-n分子筛(n代表初始Si/Mo摩尔比).结合X-射线粉未衍射、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜等表征技术对分子筛的结构、组成和Mo物种的状态进行了研究.结果表明,使用Mo-EDTA作为钼源有利于在分子筛骨架和孔道中引入更多的Mo物种;EDTA2?独特的配位能力使其在分子筛生长过程中能够有效调节Mo物种的释放率,并与硅物种缩合的速率匹配,从而使更多的Mo物种被引入到分子筛骨架中;同时也会有少量的Mo物种以骨架外Mo团簇的形式分布在分子筛的孔道内或孔口附近.通过以双氧水为氧化剂的环己烯环氧化反应考察了所制备的Mo-MFI-n催化剂的性能.经组分优化的Mo-MFI-50(初始Si/Mo摩尔比为50)催化剂能够在较温和的条件下有效地将环己烯转化为相应的环氧化物.在75℃下反应9 h后,环己烯转化率和环氧化物选择性分别高达93％和82％,性能明显优于传统水热法合成的Mo-MFI分子筛.此外,反应后的Mo-MFI-50分子筛催化剂通过简单的过滤而不需要焙烧处理就可多次重复利用,表现出较高的结构稳定性和循环性.     

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.     

在Au／TS—1上原位再生H2O2用于丙烯环氧化反应研究

在液相条件下,对Au/TS-1催化氧化和氢气和原位再生H2O2用于丙烯的环氧化进行了研究。结果表明,氧气的存在促进了丙烯的加氢,同时分子氧的活化也离不开氢气;只有在氢气和共存时,丙烯环氧化的反应才能进行,丙烯的加氢和分子氧的活化发生在同一活性中心上。在液相条件下环氧丙烷（PO）收率比在气相条件下得到的高。     

过氧化氢异丙苯催化氧化丙烯制环氧丙烷

研究了以钼－醇配合物为催化剂,过氧化氢异丙苯为环氧化剂,乙醇为溶剂的丙烯一步氧化制环氧丙烷的反应,结果表明,用不同的二醇和不同醇／钼比制备的钼醇催化剂具有不同的催化性能和配性,用乙二醇和丙二醇制备的催化剂,催化性能优于丁二醇制备的催化剂,考察了反应条件（温度、压力和时间）对环氧化反应活性的影响,在１００℃,０．５ＭＰａ的条件下反应２ｈ,过氧化氢异丙苯的转化率为６５．０％,环氧丙烷的选择性为７０．４     

Iron-catalyzed propylene epoxidation by nitrous oxide: studies on the effects of alkali metal salts

SBA-15-supported iron catalysts with and without alkali metal salt modifications were studied for propylene oxidation by nitrous oxide. The reaction route could be dramatically changed from allylic oxidation to epoxidation by modification of the FeOx/SBA-15 catalyst with alkali metal salts. The KCl-1 wt % FeOx/SBA-15 (K/Fe = 5) catalyst exhibited the best catalytic performances for propylene epoxidation, over which ca. 50% propylene oxide selectivity could be gained at a 10% propylene conversion at 648 K. Characterizations with diffuse reflectance UV-Vis, XANES, and Raman spectroscopic techniques revealed that the modification with KCl increased the dispersion of the iron species and changed the local coordination of iron into a tetrahedral configuration on the inner surface of SBA-15. This tetrahedrally coordinated iron site, which was probably stabilized by potassium ions, was proposed to account for the epoxidation of propylene by nitrous oxide. At the same time, the reactivity of lattice oxygen was inhibited, and the acidity of the FeOx/SBA-15 was eliminated. These changes should also contribute to the increase in the selectivity to propylene oxide. The counteranions in the alkali metal salts exerted a significant influence on the catalytic behaviors probably via an electronic effect.     

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.     

丙烯、氧气和环氧丙烷在Cu-NaCl/SiO2催化剂上吸附的红外光谱研究

 用红外光谱法研究了丙烯、丙烯/氧气混合气以及环氧丙烷(PO)在Cu-NaCl/SiO2催化剂上的吸附. 结果表明,丙烯在载体和催化剂上的吸附是完全可逆的. 丙烯和氧气在催化剂上共吸附后生成了丙烯醛,未观察到环氧丙烷(PO)生成. PO在载体和未还原催化剂上的吸附行为表明,PO与载体的硅羟基有强相互作用,PO发生开环反应生成开环物种. 而PO在还原态催化剂上的吸附行为较复杂,可能生成了酮类化合物.     

用于丙烯环氧化的 Ti/HMS 催化剂的失活与再生

 研究了以异丙苯过氧化氢为氧化剂选择氧化丙烯制环氧丙烷的 Ti/HMS 催化剂的失活原因. 采用 XRD (X 射线衍射), FT-IR (傅里叶变换红外光谱), UV-Vis (紫外-可见光谱) 和 TG (热重分析) 等技术表征了催化剂失活前后的结构和化学组成. 结果表明, 催化剂的失活主要是由于反应过程中所产生的重组分在催化剂表面吸附, 覆盖了活性中心所致; 并不是由于四配位的活性钛物种转化为六配位、八配位或者锐钛矿 TiO2 所致. 采用热异丙苯溶剂洗涤的方法可以部分恢复失活催化剂的活性, 但不能恢复到新鲜催化剂的水平; 采用低温烧炭方法能够使催化剂的活性恢复到新鲜催化剂的水平. 因此, Ti/HMS 催化剂的失活是可逆的, 采用合适的再生方法可以恢复其催化活性.     

Study on Chemisorption, Catalytic Behavior, and Stability of Supported Au Catalyst for the Propylene Epoxidation Reaction

The supported Au/TiO2 and Au/TiO2-SiO2 catalysts were prepared by deposition precipitation method. The TPD study reveals that propylene oxide competes with propylene to be adsorbed on the same adsorptive center-Tin site on the surface of the catalyst and that the adsorbing capacity of the catalyst for propylene oxide is larger than that for propylene. Catalytic behavior for propylene epoxidation with H2 and O2 was tested in a micro-reactor. Under typical conditions, the selectivity for propylene oxide is over 87%. The TG curves show that PO successive oxidation cause carbon deposition on the active center and deactivation of the Au catalysts. Because the amounts of Tin site decrease significantly, and consequently the separation between Tin sites increases, the Au/TiO2-SiO2 catalyst is more stable than Au/TiO2.     

Photocatalytic oxidation of propylene with molecular oxygen over highly dispersed titanium, vanadium, and chromium oxides on silica

Photocatalytic oxidation of propylene with molecular oxygen at room temperature was investigated over various silica-supported metal oxides with low loading. The photocatalytic active site is assumed to be the isolated tetrahedrally coordinated metal oxides in the ligand-to-metal charge-transferred state, such as (Mdelta- -OLdelta+). Photocatalytic epoxidation of propylene into propylene oxide was promoted over silica-supported V and Ti oxides at steady state. Over silica-supported Cr oxide, the propylene oxide formation rate was remarkably decreased with the time course in the reaction. The oxidation state and the coordination environment of the supported Ti, V, and Cr oxide species were determined by diffuse reflectance UV-vis spectroscopy (DRS) and electron spin resonance (ESR). During the photocatalytic oxidation, the oxidation state of the Ti4+ species was not varied. On the other hand, the V5+ species was partially reduced to V4+ and the Cr6+ species was successively reduced to Cr5+ and Cr3+. An isotopic tracer study of the C3H6-18O2 reaction suggests the difference of the active oxygen species between TiO2/SiO2 and V2O5/SiO2. The active oxygen species on TiO2/SiO2 is derived from molecular oxygen. On the other hand, the photogenerated products on V2O5/SiO2 incorporate the lattice oxygen of the surface metal oxide species. It is suggested that the kinds of terminal ligand (hydroxyl or oxo) of the tetrahedrally coordinated metal oxides on silica decide the active oxygen species in the photocatalytic oxidation. A photoinduced hole center on the monohydroxyl (SiO)3Ti-OH species activates molecular oxygen that reacts with propylene. In the case of the monooxo (SiO)3V=O and dioxo (SiO)2Cr=O2 species, the photoactivated lattice oxygen (OL-) directly reacts with propylene.