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乙醇是非常重要的化工原料和溶剂,在医药卫生、化工有机合成和燃料添加剂等领域都有很广泛的应用。近些年来,随着甲醇羰基化技术的逐渐成熟,我国醋酸产能严重过剩,将廉价的醋酸转化为乙醇受到了研究者的高度重视,其中醋酸加氢直接合成乙醇技术路线是最简洁经济的合成路线。目前醋酸加氢合成乙醇主要采用Ru、Pt、Pd等贵金属催化剂。昂贵的价格限制了贵金属催化剂在醋酸加氢合成乙醇领域的大规模应用。过渡金属磷化物中金属和磷的特殊掺杂结构使得其具有耐腐蚀性强、强度高、稳定性好等类贵金属性质,同时它在油品加氢脱硫(HDS)和加氢脱氮(HDN)反应中表现出优异的催化加氢性能。前期研究发现,磷化物催化剂在催化醋酸合成乙醇反应中显示出很高的活性,探究磷化物催化醋酸合成乙醇的反应行为具有重要意义。 本研究选取催化加氢活性较好的Ni2P、MoP和Co2P为模型催化剂,详细考察了它们的催化活性及物理化学性质,在此基础上筛选出催化活性最好的MoP作为主要研究对象。采用各种表征手段和催化剂的评价手段,深入研究了MoP催化醋酸合成乙醇的主要活性组分以及催化反应途径等。论文的主要研究内容和结论如下: (1)采用程序升温还原法制备了Ni2P、MoP和Co2P三种催化剂,其催化醋酸合成乙醇活性顺序为Co2P<Ni2P<MoP。催化剂前躯体的磷化难易程度可能是影响催化剂醋酸加氢合成乙醇活性的因素之一。 (2)制备了一系列不同原料比、磷化温度的磷化钼催化剂,采用XRD、SEM和XPS等表征手段研究了催化剂的主要活性组分以及不同磷化条件对催化剂活性的影响规律。结果表明磷化钼催化剂中除含有磷化钼外还含有氧化钼、磷酸钼等物质,除了磷化钼具有醋酸加氢合成乙醇活性外,磷化钼与氧化钼、磷酸钼的协同作用也可能催化醋酸生成乙醇。 (3)磷化温度对磷化钼催化剂的催化活性有一定的影响,磷化温度太低,磷酸盐前躯体被还原程度低,活性组分含量少,催化活性低;磷化温度太高,催化剂颗粒发生团聚和烧结,催化活性低;磷化温度650℃制备的催化剂活性最高。原料中磷钼摩尔比也是影响催化剂活性的又一重要因素,磷钼比过低或过高,活性组分形成量少,催化活性低,当磷钼比为1时催化活性最高。 (4)考察了反应条件对MoP催化醋酸合成乙醇活性的影响。反应温度、压力、进料比等对催化活性有较大的影响;醋酸加氢合成乙醇的最佳反应工艺条件为:反应温度290℃,反应压力4.0MPa,进液空速0.6h-1,进气空速8760h-1。 (5)磷化钼催化醋酸加氢反应产物除乙醇外,还有甲烷、甲醇、乙醛、乙烷、乙烯和乙酸乙酯等副产物产生,为验证催化反应路径,设计了多个探针反应进行试验,详细分析了磷化钼催化醋酸合成乙醇的反应路径:1)醋酸分子在催化剂表面发生C-C键断裂生成一氧化碳和甲烷,产生的一氧化碳可继续加氢反应生成甲烷;2)醋酸分子在催化剂表面加氢还原生成乙醇。一方面,产物乙醇的C-C键断裂生成甲醇和甲烷,另一方面,部分产物乙醇可发生脱水加氢反应生成乙烯和乙烷;3)未反应的乙酸与产物乙醇进一步酯化反应生成乙酸乙酯。其中路径2)是主要的反应路径。