丁烯氧化脱氢制丁二烯铋钼基催化剂

摘要

丁二烯是重要的石油化工基础原料和生产高分子合成材料的重要单体，能与多种化合物共聚制成各种合成橡胶和合成树脂，如顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等;此外，丁二烯还是多种涂料和有机化工的原料。随着我国汽车工业和轮胎生产的迅猛发展，对丁二烯的需求量大幅提高。国内外丁二烯的来源主要有两种，一种是从乙烯裂解装置副产物中抽提得到;另一种是从C4馏分氧化脱氢制得。其中，C4馏分主要来自炼油厂、煤化工以及生物质化工的副产品。抽提法在很大程度上依赖于石油，而开展丁烯氧化脱氢制丁二烯工艺不仅可以打破对石油的依赖，还可以实现C4资源的高效利用。制备高活性、高稳定性的催化剂是丁烯氧化脱氢制丁二烯研究的关键。论文主要研究内容如下:
　　本文致力于对两组分BiMo催化剂进行改进，以提高催化剂的活性。主要围绕两方面展开:一方面，采用共沉淀法引入杂原子制备三组分复合金属氧化物催化剂，即研究了杂原子分别部分替换两组分BiMo催化剂中的Bi元素和Mo元素对催化剂性能的影响。首先，采用V元素部分替代BiMo催化剂中的Mo元素制备不同V含量的BiMoVx三组分催化剂。其次，分别采用Zr、La、Ce元素部分替代其中的Bi元素制备另一系列的三组分催化剂。另一方面，将BiMo催化剂和CNTs通过溶胶凝胶法制备复合催化剂，探讨了此类催化剂在无水条件下丁烯氧化脱氢制丁二烯反应中的性能。
　　分析了不同V元素含量对BiMoV催化剂活性的影响，通过XRD表征确认了新形成的晶型，并使用XPS和TPRO等手段来表征催化剂氧流动性的变化。当催化剂组成为BiMoV0.15时，催化剂表现出较佳的活性。此外，还通过对反应过程中催化剂的价态变化的研究初步推测出催化剂的氧流动性机理。
　　添加Zr元素部分替代Bi元素制备出BiMoZr三组分催化剂，采用XRD来表征催化剂的晶型结构变化，并通过TEM和N2吸附脱附实验来探究催化剂的孔道结构变化，Zr元素的引入使BiMo催化剂呈现出多孔结构，有效提高催化剂的比表面。此外，还借助XPS和TPRO研究了不同Zr元素含量对催化剂活性、催化剂的氧流动性的影响。
　　在BiMoLa三组分催化剂的考评和表征中，使用H2-TPR和TPRO等手段考察了不同La元素含量对催化剂的氧流动性和活性的影响，催化剂组成为BiMoLa0.2时，催化剂表现出较佳的活性和稳定性，并对BiMoLa0.2催化剂反应过程进行动力学分析。结果表明相比于两组分BiMo催化剂，三组分催化剂有效的降低了催化反应的活化能使反应更容易进行。
　　添加Ce元素部分替代Bi元素制备出BiMoCe三组分催化剂，通过TPRO和XPS表征催化剂的氧流动的变化，在催化剂组成为BiMoCe0.2时，催化剂的氧流动性较强，表现出良好的活性，并对该反应过程进行动力学建模和优化，同时还探究了整个反应过程中氧迁移机理和氧流动性的变化。此外，催化剂脉冲实验研究也揭示了铋钼基催化剂和Ce(MoO4)2分别在反应中充当受氧体和供氧体的作用。
　　采用溶胶凝胶法制备出不同组成的BiMo/碳纳米管(CNTs)复合催化剂，XPS表征结果表明元素Bi、Mo的引入有效的改善了催化剂的氧流动性，复合催化剂在丁烯氧化脱氢中表现出优异的催化性能，0.018(BiMo)/CNTs复合催化剂表现出最佳的活性，无水条件下丁二烯的收率可达52.2％。TEM结果表明BiMo均匀分散在CNTs上，复合催化剂在无水反应条件下表现出较好的活性和稳定性。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 立题背景

1．2 立题依据

1．3 研究目标和内容

参考文献

2 文献综述

2．1 丁烷氧化脱氢制丁二烯

2．1．1 V基催化剂

2．1．2 钼基催化剂

2．1．3 碳基催化剂

2．1．4 焦磷酸催化剂及其他

2．2 丁烯氧化脱氢制丁二烯

2．2．1 铁基催化剂

2．2．2 Bi-Mo基催化剂

2．3 小结

参考文献

3 实验部分

3．1 实验仪器与药品

3．2 催化剂制备

3．3 丁烯氧化脱氢催化反应考评

3．3．1 反应考评装置

3．3．2 实验步骤

3．3．3 色谱分析

3．3．4 反应物转化率和产物选择性的计算

3．4 表征仪器及方法

3．4．1 X-射线衍射(x-ray Diffraction，XRD)

3．4．2 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)

3．4．3 氮气吸脱附测试(Nitrogen Adsorption-Desorption Measurements)

3．4．4 程序升温技术(Temperature-programmed Technology)

3．4．5 X射线光电子能谱分析(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)

3．4．6 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)

4 共沉淀法制备V改性的BiMo催化剂

4．1 引言

4．2 BiMoVx催化剂的制备

4．3 结果与讨论

4．4 结论

参考文献

5 BiMoZrx催化剂催化性能研究

5．1 引言

5．2 BiMoZrx催化剂的制备

5．3 结果与讨论

5．4 结论

参考文献

6 BiMoLax催化剂催化性能研究

6．1 引言

6．2 BiMoLax催化剂的制备

6．3 结果与讨论

6．4 结论

参考文献

7 BiMoCex催化剂催化性能研究

7．1 引言

7．2 BiMoCex催化剂的制备

7．3 结果与讨论

7．4 结论

参考文献

8 BiMo／CNTs催化剂催化性能研究

8．1 引言

8．2 BiMo／CNTs催化剂的制备

8．3 结果与讨论

8．4 结论

参考文献

9 研究总结与展望

9．1 总结

9．2 主要创新点

9．3 展望

作者简介

攻读博士期间撰写的论文和专利