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层板开孔层间多元分柱Mo-W-V氧化物/粘土催化剂构筑及其在催化甘油脱水氧化中的抗积碳调控机制研究

批准号:
22072136
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
周春晖
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
周春晖

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
催化甘油脱水氧化反应制丙烯酸有重大产业需求,申请人前期和国内外研究表明,催化剂积碳失活是制约其工业化应用的瓶颈;核心难点是催化剂需孔道超级开放和表面酸、氧化、抗积碳等多元活性组分共存,且要“对症”积碳机制能给予调控。由此,本项目提出利用蒙脱石、皂石粘土矿物二维层板和层间理化特性,设计采用层板酸适度剪切和开口、层间引入“分体式”多元组分层柱的新策略,创制超级开孔且酸、氧化、抗积碳性均可调变的系列Mo-W-V复合氧化物/粘土催化剂,通过碳质精细分析、碳质前驱物表面吸附、表面反应和同位素示踪等方法,解析碳质本质,表征认识催化剂微结构和表面酸、氧化、抗积碳等多元活性位数量、类型、分布、键合状态影响积碳的本质,揭示积碳关键因素、形成机理和催化剂组成结构间的内在关系,进而明确“对症”调控开孔和表面多元活性组分的机制及优选原则,确立新催化剂制备化学,为高活性抗积碳催化剂理性设计和走向产业提供科学基础。
英文摘要
Catalytic dehydration-oxidation of glycerol is needed for producing acrylic acid in industry. Previous studies of the applicant and literature survey have indicated that the rapid deactivation of catalyst caused by coking is the bottleneck hindering the new process to be used in industry. The core issues are that the suitable catalysts need super-opening porosity and coexistence of multiple active components for proper surface acidity, oxidation and coking-resistance. Meanwhile, those factors should be tuned based on the nature of coking. Hence, by taking advantage of the peculiar physical and chemical properties of the layer and interlayer of two-dimensional layered montmorillonite and saponite clay minerals, a new creative strategy is here proposed. The super-porosity will be created by proper acid treatment of the clay layers. And multiple active components will then be individually introduced into the interlayer spaces. In this way, a series of novel Mo-W-V oxides/acidified clay catalysts can be successfully prepared with individually adjustable active sites of acidity, oxidation and coking-resistance. The coke will be chemically analyzed, and the coke precursors and coking reactions will be probed by surface adsorption, surface reactions, and isotope labelling and tracking experiments to unveil the nature of coking. The catalysts will be characterized to get the detailed information on the micro-structure, number, type, distribution, bonding of active sites of acidity, oxidation and coking-resistance on the Mo-W-V oxides/clay catalysts. Their roles in the coking will be examined and revealed. As such, the inherent relationship of the critical factors and the formation mechanism of coke and catalyst composition-structure will be disclosed. Such information will then be used with clear aims to tune the porosity of the catalysts and the multiple active components on the surface of the catalysts during the preparation. Thus, the preparation chemistry of new catalysts can be established according to the unveiled laws and optimization of principle. The proposed study will provide a scientific basis for the rational design of a high active and anti-coking catalyst, pushing it into industrial practice.
对于催化甘油脱水氧化反应,催化剂积碳失活是制约其工业化的瓶颈;本项目主要研究了利用蒙脱石等粘土矿物二维层板和层间理化特性,创制超级开孔且酸、氧化、抗积碳性均可调变的系列Mo-W-V复合氧化物/粘土催化剂及积碳作用机制。实验结果表明,负载在蒙脱石(Mt)上的Mo、V和W氧化物在催化甘油脱水氧化反应中表现出良好的活性,由于积碳而易失活;采用了表面吸附、SEM、XRD、FTIR、拉曼、GC-MS、XPS和13C固态MAS NMR等分析,解析了系列酸活化蒙脱石(HMMT)负载的Mo-V-O催化剂上的积碳行为,分析可溶性和不溶性积碳组分及其随反应时间的演变。实验发现不溶性焦炭由具有稠合苯环的多环芳香族化合物组成,其中含有不同类型的含氧键基团如-OCH 3、-COOH、-CHO;可溶性焦炭的主要为单核芳香族衍生物如二甲苯、2,4-二叔丁基苯酚和1-羟基环己基苯基酮等和含有12-18个碳原子的石蜡烃。积碳存在不同要生成途径。实验对比研究了在蒙脱石(Mt)上负载Mo、V和W氧化物的单独催化作用和组合催化作用,揭示了Mo、V、W氧化物对积碳的不同贡献;实验结果显示,Mo/Mt和W/Mt比V/Mt更容易积碳;Mo /Mt催化剂中Mo 5+和Mo 6+的复合阻碍了脱水氧化水合过程中的完全氧化,促进了积碳;V4+氧化为V5+有助于减少Mo-V-Mt和W-V-Mt催化剂上的积碳。基于“对症”调控开孔和表面多元活性组分的不同催化作用机制,进一步实验验通过草酸根阴离子插层和浸渍制备了在氧化钙插层分体式柱撑的多孔蒙脱石(MoV-CaMMT)负载钼钒氧化物催化剂。结果发现,MoV-CaMMT表现出相对最佳的催化性能,甘油转化率为86.5%,5小时内稳定性良好;XRD、XPS和TG等分析表明,催化剂制备中添加碱性CaO有利于氧化钒的结晶和分散,降低酸强度,而少量二氧化钒的存在和V4+和V5+间的转化有利于提高MoV-Ca-MT抗积碳。这些研究结果和数据有助于理解甘油气相氧化脱水过程中的积碳过程,为设计具有抗积碳的高性能钼、钒和钨氧化物催化剂提供了科学理性设计的实验基础。
基于连续微流的蒙皂石族粘土矿物单元层晶格中类质同像取代机制及调控的研究
  • 批准号:
    42572045
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    --
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    周春晖
  • 依托单位:
蒙皂族粘土矿物组成和微结构影响层离性的本质和规律的研究
  • 批准号:
    41672033
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    周春晖
  • 依托单位:
催化甘油脱水氧化连续反应的酸碱位共存粘土基催化剂研究
  • 批准号:
    21373185
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    84.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    周春晖
  • 依托单位:
介孔钛硅材料中钛活性位的设计合成及其催化作用特征的研究
  • 批准号:
    20773110
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    28.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    周春晖
  • 依托单位:
国内基金
海外基金