丙烷脱氢反应中载体的影响研究

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受益于页岩气革命,相对更廉价的丙烷可以大量获取,为丙烯生产提供了优质且稳定的原料来源。随着丙烯需求的增长,丙烷脱氢制丙烯生产工艺在近几年来备受市场青睐。研究丙烷脱氢催化剂既符合市场需求,也符合我国烯烃行业自主发展的战略规划。在当前的Pt基丙烷脱氢催化剂中,都存在积碳以及金属烧结的现象,改变催化剂表面特性,提高催化剂选择性及稳定性,延长催化剂寿命是目前丙烷脱氢催化剂研究的主要方向。本文的主要内容是探索Pt/BN和Pt/GaAlOx催化剂在丙烷脱氢反应中的应用,重点研究预处理方法和反应气氛对催化剂结构和性能的影响。论文工作如下:1.用浸渍法制备Pt/BN催化剂,探究催化剂前处理过程中的煅烧处理及还原处理对催化活性的影响,发现不经过煅烧直接还原的催化剂表面Pt粒子的粒径更小,在丙烷脱氢反应中更容易发生副反应,在反应初期过快形成积碳而导致催化剂活性快速下降。经过煅烧和还原处理的催化剂表面Pt粒子的粒径相对更大,加入少量的H2可以有效抑制副反应的发生,又得益于BN表面缺少酸性位点,让芳构化等副反应受到抑制,这些因素让丙烯选择性趋近于99%,高选择性下催化剂的积碳量非常少。进一步研究催化剂再生,发现催化剂可以直接通过2%O2/N2在550oC下再生以恢复95%以上活性,推断BN边缘可以有效锚定住Pt粒子,阻止了Pt0向Pt4+转变,从而减少了Pt粒子团聚的现象。2.通过醇热法合成GaAlOx固溶体,用浸渍法制备Pt/GaAlOx催化剂应用在丙烷脱氢反应中。考察不同Ga/Al比例的GaAlOx载体对丙烷脱氢活性的影响,发现在Ga/Al比为1:32的条件下,Pt/GaAlOx催化剂表现出最高的活性。基于此结果,进一步研究了载体煅烧温度、浸渍后催化剂煅烧温度以及还原温度对活性的影响。在500oC-800oC下煅烧对载体晶型没有产生明显影响,但载体煅烧温度越高,催化剂失活越快。浸渍后的催化剂煅烧温度在700oC最佳,结合文献推测这与不同的煅烧温度下四配位Ga3+的形成以及Pt分散性有紧密关系。催化剂在不同温度下还原处理,发现不进行还原处理的催化剂活性更佳,测试程序升温还原发现催化剂没有出现明显的还原峰,证明前驱体Pt(NH34(NO32分解后,在高温下形成Pt0且Ga-Al键牢固而不易被还原。进一步测试不同Pt负载量实验中,发现GaAlOx载体本身也具有一定的催化活性,加入Pt之后催化剂活性提高近4倍,PtGa相结合让转化率和选择性都提高可以用几何效应和电子效应来解释。在不同反应气比例的实验中,加入少量的H2可以抑制积碳快速累积,而过高H2分压让副反应增多,这可能与催化剂表面的游离H覆盖浓度有关。
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