γ-Al2O3负载铜基催化剂乙烷氧氯化制氯乙烯的研究

来源 :内蒙古大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gloriayl2005
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氯乙烯单体(Vinyl chloride monomer, VCM)是生成聚氯乙烯(Polyvinyl chloride, PVC)的主要原料之一。PVC是世界五大通用塑料之一,其应用非常广泛。目前,氯乙烯的生产工艺的研究报道主要有乙炔法和乙烯法及乙烷氧氯化法,其中,乙烷氧氯化法制备氯乙烯,相对于前两种方法来说,是一种新的合成工艺,它是以天然气或煤层气中的副产物乙烷为原料,具有变废为宝之举,然而,目前该方法由于缺乏高效实用的催化剂等原因,还没有实现乙烷氧氯化法工业化,因此,开展乙烷氧氯化法制备氯乙烯催化剂具有很重要的意义。本论文以Cu (Cu的氯化物以及氧化物)作为活性物种,以gamma-Al2O3为载体,通过浸渍法、溶胶凝胶法以及机械混合法制备了Cu基负载型催化剂。并通过XRD、XPS、H2-TPR、O2-TPD、BET、 SEM和XRF等多种表征手段对催化剂的物相组成、结构性质、表面物种、氧化还原性质及催化性能等进行了详细的分析与讨论。探索了不同助剂对于Cu基负载型催化剂的催化性能的影响,得出如下结论:1.采用浸渍法制备了铬改性的CuCl2-KCl-CeO2/γ-Al2O3催化剂,研究了不同含量的铬对催化剂物理化学性质的影响。发现不同含量铬的掺杂,影响了催化剂表面Ce02的晶粒尺寸的大小(在每一个催化剂含有相同Ce的质量分数的条件下);铬的掺杂可以降低Cu2+→Cu+过程的表观活化能,促进了氧化还原对Cu2+/Cu+的转变;于此同时,铬的掺杂影响了催化剂表面吸附氧物种的含量,Cr的质量分数为3wt.%时,其表面吸附氧物种含量最多,而且其乙烷转化率与氯乙烯的选择性最好,分别为97.8%和68.2%。此催化剂在反应进行了120h后并未出现失活现象,而且乙烷转化率与氯乙烯的选择性较为平稳。2.采用浸渍法、溶胶-凝胶法、机械混合法合成出了不同负载量及不同K掺杂量的一系列样品。当K掺杂量为x=0.3时,钙钛矿型氧化物的负载量为30wt.%时,催化剂的活性与氯乙烯的选择性最好,乙烷的转化率达到100%,氯乙烯的选择性达到了59.4%。K的掺杂使得钙钛矿型复合氧化物La1.7K0.3NiMnO6的晶格畸变程度变大,形成的较多的氧空位,氧空位吸附空气中的氧气形成表面吸附氧物种。由于电荷平衡的作用,K的掺杂还使得钙钛矿型复合氧化物La1.7K0.3NiMnO6表面形成了较多的Mn4+物种,较多的表面吸附氧物种通过溢流效应促进了Cu+的氧化,Mn4+物种与表面吸附氧物种共同通过一个循环反应促进了Cu+的氧化,从而提高了催化剂的催化活性。3.Fe和Co对Ni的取代实验表明:含Fe的催化剂(La1.7K0.3FeMnO6-CuCl2/γ-Al2O3)表面存在较多的吸附氧物种;Co在钙钛矿型氧化物(La1.7K0.3CoMnO6-CuCl2/γ-Al2O3)中以Co4+的形成存在,而Fe则以Fe3+形式存在,在维持整个化合物电荷平衡的驱使下,使得含Fe的催化剂表面含有较多的Mn4+物种。较多的Mn4+物种和表面吸附氧物种促进了Cu+的氧化,提高了催化剂的催化活性。4.采用柠檬酸配合浸渍法合成出了K的掺杂的负载型钙钛矿型催化剂La2CuMnO6/γ-Al2O3催化剂。研究表明K的掺杂影响了催化剂的比表面积,孔容,表面吸附氧物种以及表面Cu物种的含量。K掺杂量为0.3时(即La1.7K0.3CuMnO6/γ-Al2O3的催化剂具有较大的比表面积和孔容,以及较多的表面吸附氧物种和及表面Cu物种,因而其催化活性最好。5.利用浸渍法将KCl与CeO2负载到样品La1.7K0.3CuMnO6/γ-Al2O3上,发现Ce的质量分为占La1.7K0.3CuMnO6/γ-Al2O3的1.9wt.%时,此时的催化剂表面含有较多的吸附氧物种和Mn4+物种,这两种物种可以促进Cu+物种的氧化,防止催化剂在反应的过程中失活。并且其表面含有较多的Cu2+活性物种。此催化剂乙烷的转化率最高可达98.5%,氯乙烯的选择性最高达到了66.9%,并且在反应运行的100h之间,其乙烷转化率与氯乙烯的选择性较为平稳,没有出现太大的波动。
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