合成气制乙醇催化反应机理述评

合成气制乙醇催化反应机理述评汪海有，刘金波，蔡启瑞（厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，化学系，厦门３６１００５）Ｃ１化学是国际上有重大应用背景的化学前沿领域。所谓Ｃ１化学是指从一个碳原子的化合物（如ＣＯ、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ）出发合成各种化学品和...     

合成气转化为乙醇的反应机理

本文在助剂型Rh催化剂上采用了以CH_2OD、D_2~(18)O为捕获剂的原位化学捕获反应, 以及以D_2~(18)O为重氧源试剂的原位氧同位素交换反应, 对合成气转化为乙醇的反应机理进行了研究。在原位捕获反应中检测到CH_2DCOOCH_3、CH_3COOCH_3和CH_2DCOOD、CH_3COOD的生成, 表明合成乙醇反应过程中存在中间体乙烯酮和乙酰基, 当CH_3OD/H_2比值足够大时主要捕获到CH_2DCOOCH_3, 说明乙酰基主要由乙烯酮的部分氢化反应生成。原位氧同位素交换反应检测到含~(18)O的乙醇、乙醛、乙酸的生成, 表明乙烯酮等C_2-含氧化合物前驱怵与重氧水发生了氧同位素交换反应。籍此, 无须如Katzer等人那样假设乙烯酮互变异构为位能较商的环氧乙烯而后进行氧同位素交换, 就可以得到Katzer等人在~(13)C~(16)O/~(13)C~(18)O+H_2反应中观察到的产物乙醇的同位素组成结果。本文的实验结果进一步说明我们提出的“CO缔合—卡宾—乙烯酮—乙酰基—乙醇(醛)”机理是合理的。     

合成气在Rh（111）上转化为乙醇的机理的键级守恒研究

Rh上乙醇的生成机理,目前主要有两类.一是Ichikawa等为代表提出的“CO解离—CH_x(x=2或3)—乙酰基—乙醇”机理;另一是蔡启瑞等的“CO缔合—甲酰基(金属氧卡宾)—卡宾—乙烯酮—乙酰基—乙醇”机理.本文用Shustorovich的键级守恒—Morse势(BOC-MP)法对其进行了研究     

铑催化合成气制乙醇反应中CO断键途径的研究

利用程序升温表面反应─红外（ＴＰＳＲ－ＩＲ）动态技术考察ＣＯ吸附物种对氢的反应性能并检验表面反应生成的中间物，结果表明线式ＣＯ对氢的反应性能高于桥式ＣＯ，即线式ＣＯ更可能是活性吸附态；表面反应生成了ＨＣＯ、ＣＨ２等中间物．用键级守恒（ＢＯＣ）－Ｍｏｒｓｅ势方法计算比较了ＣＯ→ＣＨ２过程中各可能基元步骤在Ｒｈ（１１１）面上的反应活化能和反应热，结果表明ＣＯ经其部分氢化物种（如Ｈ２ＣＯ、ＨＣＯＨ）的氢解反应断裂Ｃ─Ｏ键在能量上最有利．根据这些实验结果，提出铑基催化剂上合成气转化反应主要按缔合式机理进行；ＣＯ的优势断键途径为先部分氢化，而后氢助断键．     

同位素方法在催化反应机理研究中的应用

介绍了同位素方法在催化反应机理研究中的几种典型应用。     

Ce-Cu-Co/CNTs催化剂催化合成气制低碳醇及乙醇的研究

采用共浸渍法制备了不同Ce含量的Ce-Cu-Co/CNTs 催化剂, 考察了其在合成气制低碳醇反应中的催化性能, 借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H₂-TPR)、N₂吸脱附实验(BET)、透射电镜(TEM)和CO程序升温脱附(CO-TPD)对这些催化剂进行了表征. 结果表明, 当Ce的质量分数为3%时, 低碳醇的时空收率和选择性达到最高, 分别为696.4 mg·g^-1·h^-1和59.7%, 其中乙醇占总醇的46.8%, 适量Ce的添加能提高Cu物种在催化剂上的分散度和催化剂的还原性能, 能显著地增加催化剂吸附CO的能力, 促进合成醇活性位的形成, 进而明显提高催化剂的活性和总醇的选择性. 研究表明, 将具有高活性和高碳链增长能力的CuCo基催化剂与碳纳米管的限域效应结合, 可实现缩窄产物分布、大幅度提高乙醇选择性的目的.     

Ni/Al2O3催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应机理

用变应答／质谱在线检测技术研究了Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３催化剂上甲烷部分氧化制合成气的反应要理，研究结果指出，在常压９７３Ｋ条件下，Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３催化剂上甲烷部分氧化制合成气按直接氧化机理进行，Ｈ２和Ｃ烛甲烷部分氧化的一次产物，其主要反应可表示如下：１．ＣＨ４＋ｘＮｉ－ＮｉｘＣ＋２Ｈ２，２．Ｏ２＋２Ｎｉ－２ＮｉＯ，３．ＮｉｘＣ＋ＮｉＯ－ＣＯ＋（ｘ＋１）Ｎｉ。     

Ce-Cu-Co/CNTs催化剂催化合成气制低碳醇及乙醇的研究

采用共浸渍法制备了不同Ce含量的Ce-Cu-Co/CNTs催化剂,考察了其在合成气制低碳醇反应中的催化性能,借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)、N2吸脱附实验(BET)、透射电镜(TEM)和CO程序升温脱附(CO-TPD)对这些催化剂进行了表征.结果表明,当Ce的质量分数为3%时,低碳醇的时空收率和选择性达到最高,分别为696.4 mg?g-1?h-1和59.7%,其中乙醇占总醇的46.8%,适量Ce的添加能提高Cu物种在催化剂上的分散度和催化剂的还原性能,能显著地增加催化剂吸附CO的能力,促进合成醇活性位的形成,进而明显提高催化剂的活性和总醇的选择性.研究表明,将具有高活性和高碳链增长能力的CuCo基催化剂与碳纳米管的限域效应结合,可实现缩窄产物分布、大幅度提高乙醇选择性的目的.     

聚乙二醇介质对浆态床合成气制乙醇催化性能的影响

采用不同分子量的聚乙二醇(400、600、800和1 000)作为浆态床反应介质,工业甲醇合成催化剂C302作为催化剂进行一氧化碳加氢反应,运用XRD、H_2-TPR、NH_3-TPD-MS、BET、XPS等方法对催化剂进行表征,考察催化剂C302在不同浆态床反应介质中进行一氧化碳加氢反应后其结构及性能的变化.结果表明浆态床反应介质对催化剂性能的发挥具有显著的影响,以聚乙二醇作为浆态床反应介质,C302用于一氧化碳加氢反应时产物中均出现了乙醇,同时催化剂表现出良好的稳定性.其中以聚乙二醇600作为浆态床反应介质时,反应后催化剂C302中Cu晶粒尺寸降低,存在两种形态的Cu2O且两者数量匹配,同时其弱酸中心增多,表面Zn富集,这些为催化剂高选择性合成乙醇提供了适宜结构,活性评价显示乙醇选择性达到25.21%.     

Rh/SiO_2催化剂上甲烷部分氧化制合成气反应机理的研究(英文)

运用ＴＰＳＲ、ＴＲ－ＦＴＩＲ和化学捕获技术（ＣＨ３Ｉ作捕获剂）,探讨了Ｒｈ／ＳｉＯ２催化剂上的ＰＯＭ反应机理,由此提出热分解氧化机理,认为ＣＨｘ（ｘ＝１～３）和ＣＨｘＯ（ｘ＝１～３）可能是反应物种。     

碳纤维负载Rh-Mn紧密接触的催化剂及其合成气制乙醇催化性能

Rh-Mn-based catalysts are promising for ethanol synthesis from syngas. In this work, a carbon fiber (CF)-supported Rh-Mn catalyst, with highly dispersed Rh and close contact Rh-Mn species, has been prepared by a new in situ polymerization route using citric acid and ethylene glycol interaction. The structure and physicochemical properties of both the calcined and reduced samples have been characterized by TPR, XRD, TEM, EDS, CO-TPD, H₂ chemisorption, and XPS techniques and the catalytic performance for ethanol synthesis from syngas has been evaluated. The results show that the new method is beneficial in forming close contact Rh-Mn species than that obtained with the conventional impregnation method. This can enhance the dispersion and sintering resistance of Rh and effectively improve the activity of CO hydrogenation and the selectivity to ethanol in ethanol synthesis from syngas.     

催化合成气合成乙醇的铑基催化剂中助剂锰的作用本质研究

催化剂活性测试表明,助剂Mn显著提高了铑的催化活性.通过考察H_3/D_2同位素效应发现在Mn促进的及非促进的铑催化剂上进行的合成气反应中,乙醇生成反应均表现出显著的氘位素效应.结合CO化学吸附、XRD.CO吸附IR、XPS、EPR等物化表征手段对催化剂的表征结果,讨论了助剂Mn的作用本质.提出助剂Mn~(2+)通过与反应中间体甲酰基氧端的亲合作用.促进了CO加氢生成甲酰基的反应及其随后的氢解生成卡宾物种的反应,从而显著提高铑催化活性的观点.     

甲烷催化部分氧化制合成气的反应机理

借助脉冲反应、质谱-程序升温表面反应（MS-TPSR）等技术研究了Ni／α-Al2O3催化剂上甲烷催化部分氧化制合成气（POM）的反应机理．结果表明,NiO上CH4不能解离产生H2只有当NiO被CH4还原为Ni0后,CH4才能解高产生H2,Ni0是CH4活化和POM反应的活性相;POM反应机理遵循直接氧化机理,CH4和O2均在Ni0上活化,活化过程形成的Ni…C和Niδ…Oδ物种是反应历程中的关键物种,Niδ …Oδ物种高选择性地与CH4解离产生的碳物种Ni…C反应生成CO．     

Rh/SiO_2催化剂上甲烷部分氧化制合成气的反应机理

采用原位Raman光谱技术,在原料气中的O2未完全耗尽的条件下,对CH4部分氧化制合成气反应的Rh/SiO2催化剂床层前部贵金属物种的化学态以及由CH4解离所生成的碳物种进行了表征.在此基础上采用脉冲反应和同位素示踪技术,比较了CH4的部分氧化及其与H2O和CO2的重整等反应对催化剂床层氧化区内CO和H2生成的相对贡献,并将实验结果与Ra-man光谱表征结果进行了关联.结果表明,在600°C下将还原后的4%Rh/SiO2催化剂切入CH4:O2:Ar=2:1:45原料气,催化剂床层前部未检测到铑氧化物的Raman谱峰,但可清晰检测到源于CH4解离的碳物种;在700°C和接触时间小于1ms的条件下,催化剂床层的氧化区内已有大量CO和H2生成,在相同的实验条件下,CH4与H2O或CO2重整反应对氧化区内合成气生成的贡献则很小;以CH4:16O2:H218O:He=2:1:2:95为原料气的同位素示踪实验结果表明,在原料气中16O2未完全耗尽的情况下,反应产物中C16O的含量占CO生成总量的92.3%,表明CO主要来自CH4的部分氧化反应.上述结果均表明,在O2存在下Rh/SiO2催化剂上CO和H2可以通过CH4直接解离和部分氧化机理生成.     

不同Cu源与Zn源对CuZnAl催化剂催化合成气制乙醇性能的影响

采用完全液相法以不同的铜源和锌源为原料制备了CuZnAl催化剂,在浆态床反应器中考察了其催化合成气合成乙醇的性能,并采用XRD、H₂-TPR、NH₃-TPD-MS及BET技术对催化剂进行表征。结果表明,以乙酸铜替换硝酸铜,抑制了热处理过程中Cu₂O的还原,提高了催化剂的比表面积,为催化剂具有较高的乙醇选择性提供了适宜的酸中心和孔径,其总醇选择性达45.6%,总醇中乙醇所占比例达28.7%。     

纳米TiO2光催化氧化乙醇反应机理的研究

以纳米TiO2 为催化剂 ,主波长为 36 4nm的汞灯为光源 ,通过气相色谱测定反应物和生成物的浓度变化 ,分别研究了体积量浓度为 0 1mol·L- 1 的CH3CH2 OH、CH3CHO和CH3COOH水溶液进行光催化氧化反应的速率。经Langmuir Hinshelwood方程进行核算 ,证明该组反应均为零级反应。TEM、XRD、SSA和FT IR PAS对催化剂进行了表征。根据FT IR PAS的检测结果提出了CH3CH2 OH光催化氧化反应的机理 :CH3CH2 OH [O] CH3CHO[O] CH3COOH [O] 碳 碳键断开[O] … [O] CO2 +H2 O     

合成气一步法直接制低碳烯烃双功能催化剂研究新进展

以乙烯、丙烯和丁烯为主的低碳烯烃是重要的化工基础原料,由合成气一步法直接催化制取低碳烯烃路线因其流程短、能耗低等优势,已成为非石油路线生产低碳烯烃的主要发展方向,其主要包括经费托合成反应制备低碳烯烃的路线(FTO)和基于金属氧化物/分子筛(OX-ZEO)双功能催化剂体系的路线(SDTO)。本工作综述了近年来在合成气制备低碳烯烃方面的研究进展,重点阐述了OX-ZEO双功能催化剂的设计、不同活性位点的耦合制备方法、催化剂表界面调控对其催化性能的影响,详细解析了H₂/CO比、温度、压力、接触时间等反应条件对SDTO反应的调控机制,概括了现代表征技术在揭示OX-ZEO催化反应机理中的应用,同时总结了OX-ZEO的催化反应机理。最后对OX-ZEO双功能催化路径目前存在的挑战和未来的发展进行了展望。     

稀土金属盐促进的Mo-Co-K硫化物基催化剂用于合成气选择性制乙醇等低碳混合醇

采用超声法在非水溶剂介质中制备了稀土金属La盐等促进的硫化钼基催化剂,考察了其CO加氢选择性合成乙醇等低碳混合醇的催化性能.在3.0MPa,330℃和H2/CO(体积比)=2.0的反应条件下,La促进的催化剂表现出较Mo-Co-K硫化物基催化剂更高的催化活性,CO转化率和产物中乙醇的分布可分别达到17.2%和53.4%.扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和光电子能谱等表征结果表明,稀土金属La盐的加入改善了Mo-Co-K硫化物基催化剂的外观形貌和电子结构,对提高催化活性和乙醇的分布起到重要的作用.     

钒促铑基催化剂上合成气反应中的H2／D2同位素效应

铑基催化剂可催化合成气生成甲烷、乙醇等,CO中C—O键断裂是该反应的关键步骤。Ⅴ助剂可显著提高Rh的催化活性,其作用本质被认为是促进了CO的直接解离。本文考察了Ⅴ助剂对Rh催化性能的影响及Rh/SiO_2、Rh-V(1:1)/SiO_2上合成气反应的H_2/D_2同位素效应,根据实验结果及键级守恒-Morse势法的计算结果初步探讨了Ⅴ助剂的作用本质。     

生物乙醇制高级醇催化剂研究进展

与乙醇相比,高级醇具有高的十六烷值、高能量密度、对发动机部件无腐蚀性、与水不混溶、稳定性好等直接作为燃料或燃料添加剂的优势,将发酵产生的生物乙醇转化为更有价值的高级醇受到了广泛关注。本工作综述了近年来世界各国有关生物乙醇制高级醇的研究进展,包括金属氧化物、羟基磷灰石(HAP)和负载型金属催化剂的研究开发现状,并比较了不同类型催化剂参与下的乙醇转化率和高级醇选择性,结合乙醇经缩合反应制备高级醇的机理进行了讨论,最后对当前生物乙醇制高级醇的挑战以及未来研究趋势进行了总结与展望,指出多功能催化剂的开发是未来研究重点,羟醛缩合是进一步提高生物乙醇制高级醇转化率与选择性的有效策略。