催化学报 ›› 2024, Vol. 64: 32-43.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60065-3
Zhaoqi Zhao, Yunzhu Zhong, Xiaoxia Chang, Bingjun Xu()
摘要:
丙烯是合成多种化学品的关键原料, 丙烷脱氢(PDH)反应是一种将丙烷转化为丙烯的重要工业过程. 传统的铂和铬基催化剂具有较高的PDH反应活性, 但存在成本高、环境不友好等问题. 因此, 寻找同时具有高活性和高选择性的新型催化剂成为当前研究的重点. H-ZSM-5分子筛负载镓(Ga/H-ZSM-5)作为一种新型催化剂, 在PDH反应中表现出良好的应用前景. 本文研究了Ga/H-ZSM-5催化剂的PDH催化性能及其反应机理, 揭示了不同镓物种在催化过程中的作用, 为设计高效稳定的PDH催化剂提供了重要的理论依据和实验支持.
本文主要研究了不同H-ZSM-5载体上镓物种的形态和分布对PDH催化性能的影响, 以及相应活性镓物种上丙烷脱氢的反应机理. 首先通过原位红外光谱(FTIR)和O2的脉冲滴定反应, 结合PDH的反应速率结果, 证明了Ga2O22+物种是PDH反应的主要活性位点. 在不同镓/铝比条件下, Ga2O22+在B酸位(BAS)上占比不同. 当镓/铝比低于0.3时, Ga2O22+/BAS比率随镓负载量增加而增加, 并在镓/铝比超过0.4后达到平台期. 同时, Ga2O22+物种的浓度对丙烯生成速率(STY)有着决定性影响. 使用了五种来源不同、镓/铝比接近的H-ZSM-5载体, 通过原位FTIR光谱研究了负载镓后的样品中在H2高温还原下形成的GaH物种, 并将其与PDH活性相关联. 研究结果表明, 在纯氢的气氛中, 不同载体上的Ga/H-ZSM-5样品形成的GaH物种在2035和2050 cm-1附近有明显的红外吸收峰, 其中只有高波数的GaH峰(GaHHW)的峰面积与PDH活性紧密关联, 而低波数的GaH峰(GaHLW)对PDH活性没有明显贡献, 这些吸收峰分别对应于两种不同配位环境中的GaH物种. 结果显示, 在丙烷气氛中, GaHLW迅速减小, 而GaHHW保持稳定, 这表明GaHHW物种在PDH反应中起到更重要的作用. 进一步采用H2-D2同位素交换实验研究了丙烷与GaH物种的相互作用机制, 从而提出PDH反应在活性Ga2O22+物种上的反应机理: 丙烷首先在GaH上被活化生成Ga-C3H7和H2, 该步骤也是反应的决速步(RDS); 然后C3H7发生β-消除得到丙烯, Ga物种恢复为GaH. 在GaHLW对应的Ga物种上不能发生第二步反应, 因此不具有PDH活性. 由此可见, 在Ga/H-ZSM-5催化剂上, 只有部分对应于GaHHW的Ga2O22+物种是PDH反应的反应活性位点, 并且PDH反应机理需要经过一个两步的烷基化机理. 上述发现为理解Ga/H-ZSM-5催化剂在PDH反应中的作用机制提供了重要的实验依据和理论支持.
未来, PDH反应领域的研究将继续致力于开发高效、低成本的催化剂, 以及深入理解催化剂的作用机制. 本文揭示了Ga2O22+物种在PDH反应中的关键作用, 为设计更高效的Ga基催化剂提供了新的思路和方法. 这有助于PDH催化剂的发展, 并有助于实现工业过程的绿色化和高效化.