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本论文以磷钨酸(TPA)为酸性组分与金属协同作用,制备出一系列负载型金属-酸性位双功能催化剂,临氢条件下考察了它们的异构化性能。取得如下结果:
1.MCM-41负载型Pt-H3PW12O40双功能催化剂异构化性能研究
(1)对比实验表明杂多酸是有效的烷烃异构化酸性组分,需和贵金属协同作用产生异构化活性。Pt和磷钨酸的负载量分别为2%和30%时,MCM-41负载型催化剂显示出较佳的烷烃异构化活性,转化率达到58%,相应异戊烷选择性为96%。
(2)磷钨酸含量小于35%,在MCM-41上有较好的分散度,当其含量达到35%时,有较大晶粒的磷钨酸生成,其相应的XRD特征峰明显,没有发现Pt物种的衍射峰。FT-IR谱图表明,负载型磷钨酸保持了较完整的Keggin结构。
(3)催化剂被还原以后,金属组分主要以Pt(0)和Pt(II)存在,提高还原温度、还原气体流速和延长还原时间,催化剂的活性不增反降,说明深度还原不利于催化剂的异构化,可能是因为催化剂的酸性位受到破坏。
(4)反应产物主要是甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和己烷,根据产物分布情况推测,反应属典型的金属.酸性位双功能单分子反应机理。
(5)以MCM-41为载体时,磷钨酸和钯分别是理想的酸性和金属活性组分。立方相的SBA-1负载型催化剂比其它载体负载型催化剂显示出更好的异构化活性。
2.氧化锆负载型Pt-H3PW12O40双功能催化剂异构化性能研究
(1)以自制氧化锆取代MCM-41,贵金属负载量为1%的情况下即获得了更高的烷烃异构化活性。正戊烷转化率可达65%左右,异戊烷选择性为98%。
(2)300℃焙烧后,Pt以Ⅳ价存在,经过200℃氢气还原,Pt主要以0价和II价存在。还原前后,P2p和W4f7/2的电子结合能保持稳定,说明还原前后,负载型磷钨酸结构保持稳定。
(3)300℃是较佳的催化剂焙烧温度。温度过低,活性组分前驱体不能充分分解和分散。温度过高,酸性组分发生不可逆分解。反应温度为200℃时,催化剂的反应活性较佳。同时,较低空速有利于反应物和催化剂床层充分接触反应。
(4)对PTZ300催化剂连续60h稳定性测试表明:该催化剂具有良好的反应稳定性,反应过程中的积碳现象不显著。
3.Pt-H3PW12O40双功能催化剂体系在异构化反应中的载体效应
(1)不同载体负载型催化剂的活性顺序为:ZrO2>>SiO2>>γ-Al2O3。
(2)比表面积不是影响Pt-H3PW12O40催化剂体系异构化性能的主要因素,催化剂的酸强度以及金属组分的分散度对催化剂活性有很大影响。
(3)在焙烧温度650℃、焙烧时间3 h和pH值为9的条件下所得到的氧化锆,其相应负载型催化剂具有较好的异构化活性。
(4)催化剂活性同载体的晶相关联分析表明:氧化锆晶体中同时存在较强的四方晶相和单斜晶相时,其负载型催化剂显示出较高的异构化活性。
4.La对Pt-H3PW12O40/ZrO2在烷烃异构化反应中的促进作用研究
(1)La对Pt-H3PW12O40/ZrO2催化剂的活性有显著的促进作用。
(2)La的掺杂量与贵金属的负载量密切相关,当Pt含量为0.25%时寸,La的最佳掺杂量为0.6%。而当Pt的含量为0.5%时,La的最佳掺杂量为0.1%。掺杂La后,催化剂的活性均高于相同负载量的单一贵金属催化剂。
(3)Ce对Pt-H3PW12O40/ZrO2催化剂的异构化活性同样具有促进作用,只是促进程度略低于La。
(4)La和Ce能够促进磷钨酸的分散以及Pt物种的还原,同时,La和Ce同Pt之间还存在着一定的相互作用,且前者同Pt的作用强度要高于后者。
(5)与La和Ce相比,Pr和Gd的掺杂对Pt-H3PW12O40/ZrO2的催化性能起到抑制作用。
5.Ni-H3PW12O40-ZrO2和Ni-Pt-H3PW12O40/ZrO2双功能催化剂异构化性能研究
(1)Ni/ZrO2具有很强的氢解能力,表明Ni/ZrO2催化剂还原后,Ni以较大的晶粒存在。在Ni/ZrO2催化剂中加入磷钨酸后,催化剂的异构化能力增强,氢解能力减弱。Ni-H3PW12O40/ZrO2催化剂中Ni和H3PW12O40的质量分数分别为8%和30%时,对异构化反应有利。
(2)在Ni-H3PW12O4dZrO2催化剂中添加少量Pt能显著提高催化剂的活性。Ni-Pt双金属催化剂比相同金属含量的单金属催化剂的催化效果好。Pt的存在,有可能促进Ni的还原,增加了活性金属位,提高了催化活性。
(3)当还原温度和反应温度分别为400和250℃时,有利于异构化反应的进行。