甲烷选择性氧化反应液相催化体系的研究

【摘要】： 甲烷选择氧化活化一直是催化化学领域中具有重要学术意义和应用背景的热点和难点课题之一，研究工作十分活跃。液相催化体系中甲烷的选择氧化活化已成为多相催化体系的重要补充，加之不同溶剂体系中甲烷转化的效率差别较大，使其内涵更加丰富。本学位论文根据国内外液相体系甲烷选择性催化氧化的研究进展，开展了发烟硫酸介质中Pd／C催化剂和乙腈介质中双氧水存在下硫酸氧钒催化剂对甲烷选择氧化活化的研究，取得以下主要结果。 (1)以二氯化钯为前驱体，采用浸渍法制备了一系列不同钯负载量的活性炭负载型Pd／C催化剂，研究其在发烟硫酸体系中甲烷氧化制硫酸单甲酯、进而水解制得甲醇的催化性能。结果表明，该体系的液相主要产物是硫酸单甲酯和少量的硫酸二甲酯，经水解后得到甲醇；而气相中检测到可观量的CO_2。当未加催化剂的空白试验和采用未负载钯的活性炭为催化剂时，则几乎未观察到甲烷的转化率；Pd／C催化剂的活性明显高于钯黑，且随着钯负载量增加、反应温度和压力提高、以及延长反应时间，甲烷转化率及甲醇和CO_2收率均呈缓慢上升趋势；较为理想的反应条件是：钯负载量为5％，甲烷压力4．0 MPa，反应温度453 K，反应时间4 h，此时，甲烷转化率为23．6％，甲醇选择性达69．5％。与5％Pd／BaSO_4催化剂相比，5％Pd／C催化剂的甲醇收率要低些，但Pd／BaSO_4催化剂呈粉末状，在发烟硫酸体系中难以实现催化剂的多次循环使用。XRD、HRTEM、XPS、ICP-AES和CO吸脱附测定表明，该体系的催化活性物种可能是反应原位产生于活性炭表面的Pd~(2+)；当Pd／C催化剂进行循环使用时，反应转化率和选择性虽略有下降，但可多次复用，其性能的变化与反应过程中金属钯的流失和分散度下降等因素密切相关。 (2)考察了若干钒催化剂在乙腈溶液中以H_2O_2为氧化剂对甲烷选择氧化生成甲酸的催化性能。结果表明，VOSO_4具有较佳的催化性能，其催化性能与催化剂和双氧水的用量、反应条件等有关。在反应温度333 K，甲烷3．0 MPa时，该催化剂在4 h内甲烷的转化率达到了6．4％，甲酸的选择性达到51．6％。通过UV-Vis吸收光谱表征和自由基捕获剂的影响等研究表明，在反应中可能有VO(O_2)~+物种形成，反应可能经历自由基机理。 【关键词】：甲烷 液相氧化 Pd/C 发烟硫酸 硫酸氧钒 双氧水 甲醇 甲酸
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：O643.32
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-9
• 第一章 绪论9-52
• 1.1 引言9-11
• 1.2 甲烷均相催化活化11-29
• 1.2.1 以强酸为反应溶剂13-24
• 1.2.2 以水为反应溶剂24-27
• 1.2.3 其他溶剂27-29
• 1.3 甲烷多相催化活化29-35
• 1.3.1 氧化产物为甲醇或甲醛30-32
• 1.3.2 氧化产物为乙酸32-35
• 1.4 其它体系35-37
• 1.5 论文的构思和目的37-38
• 1.6 论文的组成和概要38-39
• 参考文献39-52
• 第二章 实验部分52-65
• 2.1 实验原料和试剂52-53
• 2.2 表征方法53-54
• 2.2.1 核磁共振波谱表征53
• 2.2.2 X射线粉末衍射表征53
• 2.2.3 高分辨透射电镜表征53-54
• 2.2.4 X射线光电子能谱表征54
• 2.2.5 电感耦合等离子体原子发射光谱表征54
• 2.2.6 一氧化碳化学吸附表征54
• 2.2.7 UV-Vis吸收光谱54
• 2.2.8 程序升温还原54
• 2.3 催化剂制备54-55
• 2.3.1 载体的前处理54-55
• 2.3.2 催化剂的制备55
• 2.4 催化反应与产物分析计算方法55-64
• 2.4.1 甲烷在发烟硫酸中的选择氧化反应55-59
• 2.4.2 VOSO_4在乙腈中催化甲烷选择氧化反应59-64
• 2.5 催化剂的循环使用64
• 参考文献64-65
• 第三章 Pd/C催化剂对甲烷催化氧化反应研究65-82
• 3.1 引言65
• 3.2 Pd/C催化甲烷选择性氧化性能的研究65-72
• 3.2.1 NMR表征甲烷氧化产物65-67
• 3.2.2 催化剂的影响67
• 3.2.3 Pd负载量的影响67-68
• 3.2.4 反应温度的影响68-70
• 3.2.5 反应压力的影响70
• 3.2.6 反应时间的影响70-71
• 3.2.7 催化剂的循环使用结果71-72
• 3.3 催化剂的表征结果72-79
• 3.3.1 H_2-TPR72-73
• 3.3.2 ICP-AES测定钯负载量73
• 3.3.3 CO化学吸附表征73-74
• 3.3.4 XRD表征74-76
• 3.3.5 HRTEM表征76-78
• 3.3.6 XPS表征78-79
• 3.4 反应机理推测79-80
• 3.5 本章小结80
• 参考文献80-82
• 第四章 简单钒化合物在双氧水存在下对甲烷选择氧化的探索82-95
• 4.1 催化反应性能研究82-89
• 4.1.1 各种钒化合物的催化性能比较82-83
• 4.1.2 VOSO_4催化剂用量的影响83-84
• 4.1.3 反应温度的影响84-85
• 4.1.4 双氧水用量的影响85-86
• 4.1.5 反应压力的影响86-88
• 4.1.6 反应时间的影响88
• 4.1.7 溶剂的影响88-89
• 4.2 反应机理研究89-93
• 4.3 本章小结93
• 参考文献93-95
• 硕士在学期间发表的论文95-96
• 致谢96

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