NiMo/LDO催化剂的制备及其加氢脱氧催化性能的研究

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生物质作为唯一含碳的可再生资源,为实现绿色化学和原子经济提供了契机,其功能化利用对于保障我国能源结构改革和可持续发展具有重要意义。木质素可以先通过解聚反应选择性转化为酚类化合物,然后在加氢脱氧处理下转化为液体燃料、高价值化合物中间体,这是提高木质素利用率的重要途径。现有催化剂常面临失活、选择性低等问题,硫化催化剂甚至会对环境造成污染。非贵金属在本质上具有较低的催化活性,构建高效的非硫化非贵金属催化剂和设计新的反应途径具有重要的研究价值和空间。层状双氢氧化物(LDHs)材料的层板具有丰富的羟基,层板中的金属离子分布均匀、可调性强,而且高温煅烧后可形成比表面积大、分散度高的混合金属氧化物。LDHs所具有的优异特点为设计和合成新型高分散性催化剂提供了一种可行的方案。本文利用LDHs材料的特性,以LDHs为催化剂前驱体,设计、制备出一种具有高活性、高稳定性的双功能催化剂--Ni Mo/LDO,采用XRD、XPS、SEM、TEM、FTIR等仪器对Ni Mo/LDO的形貌、晶形结构、表面态、吸附性能、比表面积等进行表征,选用愈创木酚为模型化合物评价了Ni Mo/LDO的催化性能,优化反应条件,最后根据Ni Mo/LDO表征结果和催化性能进行评价分析,探究了愈创木酚在Ni Mo/LDO催化体系中的反应机理。主要内容如下:1、先合成LDHs作为载体前驱体,然后采用等体积浸渍法负载Ni、Mo,最后通过高温焙烧制备出Ni Mo/LDO催化剂。SEM、TEM、XRD、XPS的表征结果表明,所制备的Ni Mo/LDO为多层重叠的薄片状结构,薄片的长和宽约在0.1-2.0μm之间,片的厚度约为20 nm,Ni、Mo可均匀地分散、嵌附在载体LDO表面性,Ni、Mo颗粒的粒径在5-20 nm之间,Ni、Mo原子百分比分别为3.35%、2.60%,Mo的价态为+2、+4和+6价,Mo6+:Mo4+:Mo2+=3.1:2.8:1.1,Ni的价态为0、+2、+3价,Ni3+:Ni2+:Ni~0=2.7:2.1:0.8。2、以所制备的NiMo/LDO为催化剂,在高温高压反应釜中对愈创木酚进行加氢脱氧催化反应,收集反应后的液体组分进行色谱分析检测,计算反应底物转化率和单产物产率,以此评价催化剂的催化活性和选择性,考察了Ni Mo浓度比例、反应温度、H2初压以及反应时间对Ni Mo/LDO催化活性和选择性的影响。研究表明:随着Ni负载量的增加,愈创木酚转化率和苯酚产率随之提高;Mo的引入能明显地提升苯酚的产率,但对愈创木酚转化率的提升不明显;6.5wt.%Ni-4.5wt.%Ni Mo/LDO在反应温度为350℃、H2初始压力为2 MPa、反应时间为240 min的最佳条件进行反应时,愈创木酚转化率和苯酚产率可分别达到98%以上和58%以上。3、结合NiMo/LDO的结构性能表征、催化性能评价分析结果,探讨了Ni Mo/LDO催化愈创木酚发生加氢脱氧反应的机理。其反应机理可能为:(1)Ni Mo/LDO独特的多级结构能有效地促进活性部位的暴露,并能通过表面活性位点促进愈伤木酚的选择性加氢脱氧;(2)分散性良好、性能稳定的Ni颗粒有利于H2的吸附活化,使反应体系内产生大量的H·自由基,而Mo纳米颗粒对于在苯环上连接的-OCH3有选择性断裂的作用;(3)催化剂载体的活性位点能促进了底物的吸附和活化,以此提高催化剂的活性;(4)在Ni Mo/LDO的催化体系下愈创木酚加氢脱氧的反应生成苯酚的三条路径推测为:愈创木酚进行脱甲基作用生成儿茶酚,儿茶酚再进行脱甲氧基生成苯酚、愈创木酚直接脱甲氧基生成苯酚和愈创木酚先经脱羟基生成苯甲醚,再经脱甲基生成苯酚。
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