铌酸调控二硫化钼结构及其苯甲醚加氢制苯酚及苯性能研究

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木质素储量丰富、来源广泛且廉价易得,在生产、生活中拥有重要的应用价值。通过一定的催化反应,打破木质素原有长链结构,将其高效转化为苯、苯酚等高附加值小分子化学品,一直是生物质能源领域的研讨热点。本论文聚焦于MoS2催化剂,通过添加铌酸助剂改变其物理化学性质以提升其催化性能,考察铌酸修饰二硫化钼催化剂在木质素模型化合物制芳香化合物反应上的加氢脱氧性能。论文工作首先采用一步水热法合成了一系列H4Nb2O7修饰的MoS2催化剂(MoS2-H4Nb2O7),采用XRD、TEM、XPS等各种物理化学表征手段,探究合成条件及铌酸修饰对于催化剂结构、表面酸性等物化性质及催化反应性能的影响。通过测试得到在270℃、氢气初始压力为3 MPa、反应时间为4 h的条件下,底物苯甲醚转化率为97.7%,苯酚选择性为98.0%。深入研究发现,MoS2为反应的活性中心,且其活性随着H4Nb2O7的加入而提升,产物苯酚的收率也随之提高。结合表征结果得出H4Nb2O7的修饰作用为:(1)铌酸的加入使得MoS2片层尺寸降低,堆积程度降低,分散度增加,进而使得MoS2能够暴露更多的边缘活性位点;(2)铌酸的加入加速了钼在合成过程中的还原及硫化过程,使得催化剂中氧化态物种含量降低,二硫化钼活性组分含量增加;(3)铌酸的修饰使得催化剂表面强酸位点数量增加,提高了催化剂吸附有机底物以及断裂CArO-CH3键的能力。其次,为进一步提升MoS2催化剂在木质素转化中的脱氧性能,同时探究不同的铌基固体酸的加入对于MoS2催化转化木质素单体性能的影响,论文进一步采用水热法制备了Nb2O5修饰的MoS2催化剂(MoS2-Nb2O5),运用苯甲醚催化转化反应评价其催化性能。结果显示,在300℃、氢气初始压力为3 MPa、反应时间为6 h的条件下,苯甲醚在MoS2-Nb2O5-7H催化剂上主产物苯的选择性达到50.2%。催化剂脱氧能力得到进一步增强。表征结果证明催化剂CAr-O键断裂能力的提升来源于MoS2堆积层数、Nb=O键以及催化剂表面B酸含量的增加。运用性能最优催化剂,测试了铌酸修饰催化剂的循环稳定性能。结果表明,催化剂循环稳定性受到硫元素流失及团聚现象的影响。最后,结合反应动力学原理,综合运用产物时间分布规律及不同模型化合物的反应结果,推导出苯甲醚在两种铌基固体酸修饰的MoS2催化剂上的反应路径。结果证明,H4Nb2O7的加入促进了CArO-CH3键的断裂,而Nb2O5的加入促进了CAr-O键的断裂。
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