贵金属掺杂的碳化钼催化剂用于生物质分子的加氢脱氧研究

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生物质是一种重要的可再生碳基能源材料。其中,纤维素、半纤维素和木质素等生物质资源的化学结构较复杂,主要由芳香环和含氧官能团组成。通过对木质素进行热裂解处理,可以获得生物质分子。这些生物质分子可以通过加氢脱氧(HDO)处理,转化为不含氧的烃类产品(如环己烷,苯,甲苯等),这是制备新能源燃料的一种潜在途径。HDO过程的一个关键步骤是裂解芳香C-O键以实现脱氧。但是芳香C-O键的键能(约422 k J/mol)高于烷基C-O键(约399 k J/mol),因此更难活化解离。人们需要设计针对芳香C-O键定向活化的催化剂,以实现生物质分子的高效转化利用。碳化钼催化剂具有良好的活化C-O键的能力,对生物质分子表现出明显的HDO催化性能,但其对氢分子的活化解离性能有限。本论文将高度分散的金属(Pd、Pt)掺杂在碳化钼催化剂基底中,利用金属修饰提高催化剂对氢气分子的活化解离能力,设计并制备了金属/碳化钼双功能催化剂,并采用生物质模型分子苯甲醚的气相HDO过程作为探针反应展开研究。制备的催化剂不仅有较好的HDO活性,而且能够对芳香C-O键实现定向解离。(1)本工作采用程序升温碳化法制备了Pd/α-MoC催化剂,并采用多种表征手段进行了催化剂结构分析。XRD鉴定了催化剂晶相;BET显示了催化剂的介孔结构,得到催化剂表面物化信息;XPS及XANES表明Pd/α-MoC催化剂中Pd带部分正电荷,Pd传递电子给Mo;TEM结果表明:当x%≤1%时,Pd在α-MoC上高度分散,当x%=5%时Pd聚集形成纳米颗粒。以上结果确认已成功制备得到Pd/α-MoC催化剂。(2)采用气相苯甲醚HDO作为探针反应考察Pd/α-MoC催化剂的性能。与α-MoC和β-Mo2C催化剂相比,x%Pd/α-MoC催化剂(x≤1)表现出更高的转化频率(TOF)和更低的表观活化能(Ea)。催化剂均表现出良好的稳定性。此外,1%Pd/α-MoC催化剂上的HDO过程优先进行芳香C-O键的解离。结合H-D交换实验与H2反应级数测试,表明HDO活性的增强归因于碳化物上高度分散的Pd位点具有较强解离H-H键的能力。同时,5%Pd/α-MoC因金属Pd以颗粒形式存在,在HDO选择性上更易生成直接加氢产物甲氧基环己烷(选择性为50%)。因此,控制金属Pd的状态对HDO反应的选择性尤为重要。(3)在此基础上,对Pt/α-MoC催化剂在气相苯甲醚HDO实验进行了初步探究。Pt/α-MoC催化剂表现出更优异的催化活性和直接HDO路径;且当Pt含量增高时,HDO反应依然对苯有高选择性,表现出和Pd/α-MoC催化剂不同的规律,有待进一步探究。综上,本工作设计并制备了一种金属/碳化物型催化剂,对苯甲醚分子的气相HDO反应表现出优异的直接HDO催化性能。碳化钼用来活化C-O键协同高分散的金属(Pd,Pt)辅助加氢,为生物质分子HDO反应C-O键选择性活化,及双位点催化剂的合理设计提供了新的思路。
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