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Sn/HZSM-5分子筛中Sn-Lewis酸性的调控及其乙烷氨氧化作用机制的研究

批准号:
22102124
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
梁庭钰
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
梁庭钰

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
乙烷氨氧化反应催化剂能将来源广泛的乙烷,经由氧化脱氢、氨化脱氢等反应路径,转化为我国国民经济中必需的大宗化工品-乙腈,有一定应用潜力。HZSM-5分子筛载体对Sn-Lewis酸(L酸)位的结构调变、酸性调控作用,使得Sn/HZSM-5分子筛催化剂在乙烷氨氧化反应中表现出良好的催化性能。但是,由于存在Sn-L酸活性位结构不明确、各种Sn-L酸位催化反应的作用机制不清晰、乙烷氨氧化反应机理认识不足等瓶颈问题,制约了Sn/HZSM-5分子筛催化乙烷转化性能的进一步提升。本项目拟通过改变Sn-L酸的引入方式或定向改变分子筛的骨架铝分布,调变Sn物种的精细结构性质,从而调控Sn-L酸的酸性;结合催化剂表征和评价、同位素实验、动力学研究等技术手段,定性Sn-L酸活性位、理解其产生乙烷氨氧化反应催化作用的本质规律,为定向可控地合成高乙烷转化活性、高乙腈选择性的Sn/HZSM-5分子筛催化剂提供理论依据。
英文摘要
Catalysts for ethane ammoxidation reaction can convert abundant ethane into acetonitrile, which is an indispensable bulk chemical in our national economy, through oxidative dehydrogenation and ammonia oxydehydrogenation. HZSM-5 molecular sieve supports can adjust the structure and acidity of Sn-Lewis acid (L acid) site, which guarantees Sn/HZSM-5 molecular sieve catalyst with good catalytic performance in ethane ammoxidation. However, the further improvement of catalytic performance of Sn/HZSM-5 molecular sieves in ethane conversion reaction is restricted due to the unclear structure of Sn-L acid active sites, unclear catalytic role of various Sn-L acid sites in reactions, and insufficient understanding of ethane ammoxidation reaction mechanism. This project intends to adjust the Sn-L acidity by changing the introduction mode of Sn-L acid sites or regulating the framework-aluminum distribution in zeolite channels directionally, so as to adjust the fine structure properties of Sn species; combined with the technical means of catalyst characterization and evaluation, isotopic experiment, kinetics research, etc., this project intends to characterize the catalytic active sites among various Sn-L acids and understand the essential law of their catalytic role in ethane ammoxidation reaction. The theoretical basis is then established for the directionally controllable synthesis of Sn/HZSM-5 molecular sieve catalyst with high ethane conversion activity and high acetonitrile selectivity.
乙烷是传统化工的重要产品,其催化转化制高附加值产品日益获得关注。分子筛水热稳定性较好、分子筛酸性易调变,是优良的催化剂载体,且分子筛三维拓扑孔道结构的孔道限域效应有利于稳定氨氧化反应的中间体,从而促进乙腈生成的反应,因而基于分子筛的乙烷催化转化反应具有一定应用前景。金属 Lewis 酸(L 酸)一般被认为是乙烷转化的主要活性位,认识分子筛L酸、B酸及其协同催化作用,对于定向设计催化剂,有一定的指导意义。本项目中,我们基于Sn/HZSM-5分子筛催化剂的研究成果,通过筛选多种将Sn物种引入分子筛的制备方法、调变Sn物种的组成、形态等精细结构性质,以达到调控Sn-Lewis酸性的目的;同时,结合催化剂评价和表征手段,定性参与催化乙烷氨氧化的Sn-Lewis酸活性位;提出符合Sn/HZSM-5分子筛上乙烷氨氧化反应的反应机理,理解乙腈以及CO2生成的催化反应机制,阐明Lewis酸活性位对乙烷氨氧化反应的影响规律。本研究初步探究了反应条件、氨池效应对分子筛催化乙烷氨氧化反应性能的影响,具有重要的学术意义;筛选出了Sn/H-FER分子筛催化剂上的乙烷转化率、乙腈产率较高,具有一定的应用前景。其次,我们制备并表征了含有不同金属Lewis酸结构的H-MCM-22分子筛,发现在烷烃脱氢、以及烷烃和二氧化碳共反应中,Lewis酸活性位与B酸之间协同作用较差,因而抑制了芳烃形成;由于Lewis酸活性位更利于乙烷脱氢,因而其在二氧化碳活化乙烷的反应中表现出更好的催化性能,并能促进乙烷脱氢中Lewis-C₂H₅的β-H脱附。再次,为探究催化剂中分子筛B酸的催化作用和对分子筛失活的影响,以更好地区分主要的Lewis酸活性位点,选用甲醇转化反应作为探针反应,结合同位素实验,阐明分子筛高B酸密度对烯烃烃池物种反应活性的抑制作用,具有重要的学术意义;为探讨合成方法、老化条件对金属Lewis酸活性的影响,采用了NH3-SCR作为探针反应,发现水热老化处理过程中大量酸性位点的损失导致储氨能力下降,从而抑制了氨氧化的反应,从侧面证实了氨在反应中起到的氨池作用。
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