Influence of the Composition/Texture of Solid Acid WO3/TiO2-Supported Lithium-Manganese Catalysts on the Oxidative Coupling of Methane

Fei CHENG Jian YANG Liang YAN Jun ZHAO Huahua ZHAO Huanling SONG Lingjun CHOU

Citation:  CHENG Fei, YANG Jian, YAN Liang, ZHAO Jun, ZHAO Huahua, SONG Huanling, CHOU Lingjun. Influence of the Composition/Texture of Solid Acid WO3/TiO2-Supported Lithium-Manganese Catalysts on the Oxidative Coupling of Methane[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(9): 1027-1036. doi: 10.3866/PKU.WHXB201902004 shu

固体酸WO3/TiO2负载锂锰催化剂组成对其甲烷氧化偶联反应性能的影响

    通讯作者: 杨建, yjian@licp.cas.cn
    丑凌军, ljchou@licp.cas.cn
  • 基金项目:

    中国科学院战略性先导科技专项 XDA09030101

    中国石油科技创新基金(2016D-5007-0506)及中国科学院战略性先导科技专项(XDA09030101)资助项目

    中国石油科技创新基金 2016D-5007-0506

摘要: 甲烷氧化偶联制乙烷、乙烯是一种最直接有效的甲烷转化工艺路线。催化剂的结构、碱性、活性组分的状态及分布和氧物种的性质是影响甲烷氧化偶联性能的重要因素,而这些因素与催化剂组成直接相关。以固体酸WO3/TiO2为载体,采用浸渍法制备出一系列负载Li、Mn活性组分的催化剂。利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、CO2程序升温脱附(CO2-TPD)、O2程序升温脱附(O2-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和CH4程序升温表面反应(CH4-TPSR)等表征技术对催化剂进行了研究,发现Li的添加提高了C2选择性,并有效抑制了甲烷深度氧化形成CO2的过程。XRD分析表明Li的添加不仅能够促进锐钛矿型二氧化钛向金红石型二氧化钛转化而且促使了高价锰离子的还原。XPS与CO2-TPD分析表明Li的增加有利于增加催化剂表面的晶格氧含量和降低催化剂表面的碱性。O2-TPD分析表明Li含量逐渐升高能够促使晶格氧的移动性增强,从而提高催化剂的反应性能。催化剂的性能受Mn物种的含量与价态的影响,过多的Mn物种对甲烷氧化偶联是不利的,易造成甲烷的深度氧化。同时,Li和Mn活性组分通过协同作用影响着催化剂的反应性能,能够形成新的活性物种MnTiO3提高甲烷氧化偶联的低温活性。催化剂在n(Li) : n(Mn) = 2 : 1、反应温度750 ℃条件下,C2产率达16.3%,表现出最佳催化效果。

English

    1. [1]

      Ji, S. F.; Xiao, T. C.; Li, S. B.; Chou, L. J.; Zhang, B.; Xu, C. Z.; Hou, R. L.; York, A. P. E.; Green, M. L. H. J. Catal. 2003, 220, 47. doi: 10.1016/S0021-9517(03)00248-3

    2. [2]

      Elkins, T. W.; Roberts, S. J.; Hagelin-Weaver, H. E. Appl. Catal. A Gen. 2016, 528, 175. doi: 10.1016/j.apcata.2016.09.011

    3. [3]

      Lee, H.; Lee, D. H.; Ha, J. M.; Kim, D. H. Appl. Catal. A Gen. 2018, 557, 39. doi: 10.1016/j.apcata.2018.03.007

    4. [4]

      Igenegbai, V. O.; Meyer, R. J.; Linic S. Appl. Catal. B Environ. 2018, 230, 29. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.02.040

    5. [5]

      Keller, G. E.; Bhasin, M. M. J. Catal. 1982, 73, 9. doi: 10.1016/0021-9517(82)90075-6

    6. [6]

      Rane, V. H.; Chaudhari, S. T.; Choudhary, V. R. J. Nat. Gas Chem. 2008, 17, 313. doi: 10.1016/S1003-9953(09)60001-3

    7. [7]

      Cheng, F.; Yang, J.; Yan, L.; Zhao, J.; Zhao, H. H.; Song, H. L.; Chou, L. J. React. Kinet. Mech. Cat. 2018, 125, 675. doi: 10.1007/s11144-018-1477-y

    8. [8]

      Wang, P. W.; Zhang, X.; Zhao, G. F.; Liu, Y.; Lu, Y. Chin. J. Catal. 2018, 39, 1395. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63076-1

    9. [9]

      Arandiyan, H.; Dai, H. X.; Deng, J. G.; Wang, Y.; Sun, H. Y.; Xie, S. H.; Bai, B. Y.; Liu, Y.; Ji, K. M.; Li, J. H. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 14913. doi: 10.1021/jp502256t

    10. [10]

      Takanabe, K.; Iglesia, E. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10131. doi: 10.1021/jp9001302

    11. [11]

      Zavyalova, U.; Holena, M.; Schlögl, R.; Baerns, M. ChemCatChem 2011, 3, 1935. doi: 10.1002/cctc.201100186

    12. [12]

      Dubois, J. L.; Rebours, B.; Cameron, C. J. Appl. Catal. 1990, 67, 73. doi: 10.1016/S0166-9834(00)84432-2

    13. [13]

      Luo, L. F.; Jin, Y. K.; Pan, H. B.; Zheng, X. S.; Wu, L. H.; You, R.; Huang, W. X. J. Catal. 2017, 346, 57. doi: 10.1002/cctc.201700610

    14. [14]

      Yunarti, R. T.; Lee, M.; Hwang, Y. J.; Choi, J. W.; Suh, D. J.; Lee, J.; Kim, I. W.; Ha, J. M. Catal. Commun. 2014, 50, 54. doi: 10.1016/j.catcom.2014.02.026

    15. [15]

      Wang, J. X.; Chou, L. J.; Zhang, B.; Song, H. L.; Zhao, J.; Yang, J.; Li, S. B. J. Mol. Catal. A Chem. 2006, 245, 272. doi: 10.1016/j.molcata.2005.09.038

    16. [16]

      Peng, L.; Xu, J. W.; Fang, X. Z.; Liu, W. M.; Xu, X. L.; Liu, L.; Li, Z. C.; Peng, H. G.; Zheng, R. Y.; Wang, X. Eur. J. Inorg. Chem. 2018, 2018, 1787. doi: 10.1002/ejic.201701440

    17. [17]

      Kus, S.; Otremba, M.; Taniewski, M. Fuel 2003, 82, 1331. doi: 10.1016/S0016-2361(03)00030-9

    18. [18]

      Li, Z. N.; Wang, S. L.; Hong, W.; Zou, S. H.; Xiao, L. Q.; Fan, J. ChemNanoMat 2018, 4, 487. doi: 10.1002/cnma.201800019

    19. [19]

      Qin, H. L.; Chen, L.; Yu, X. W.; Wu, M. Y.; Yan, Z. C. J. Mater. Sci: Mater. Electron. 2018, 29, 2060. doi: 10.1007/s10854-017-8119-4

    20. [20]

      Zhao, W. Y.; Li, Z. Q.; Wang, Y.; Fan, R. R.; Zhang, C.; Wang, Y.; Guo, X.; Wang, R.; Zhang, S. L. Catalysts 2018, 8, 375. doi: 10.3390/catal8090375

    21. [21]

      Shubin, A.; Zilberberg, I.; Ismagilov, I.; Matus, E.; Kerzhentsev, M.; Ismagilov, Z. Mol. Catal. 2018, 445, 307. doi: 10.1016/j.mcat.2017.11.039

    22. [22]

      Koirala, R.; Büchel, R.; Pratsinis, S. E.; Baiker, A. Appl. Catal. A Gen. 2014, 484, 97. doi: 10.1016/j.apcata.2014.07.013

    23. [23]

      Simon, U.; Villaseca, S. A.; Shang, H. H.; Levchenko, S. V.; Arndt, S.; Epping, J. D.; Görke, O.; Scheffler, M.; Schomäker, R.; Tol, J. V.; et al. ChemCatChem 2017, 9, 3597. doi: 10.1002/cctc.201700610

    24. [24]

      Chen, F. F.; Cao, F. L.; Li, H. X.; Bian, Z. F. Langmuir 2015, 31, 3494. doi: 10.1021/la5048744

    25. [25]

      Arillo, M. Á.; López, M. L.; Pico, C.; Veiga, M. L. Solid State Sci. 2008, 10, 1612. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2008.03.020

    26. [26]

      Vu, N. H.; Arunkumar, P.; Won, S.; Kim, H. J.; Unithrattil, S.; Oh, Y.; Leed, J. W.; Im, W. B. Electrochim. Acta 2017, 225, 458. doi: 10.1016/j.electacta.2016.12.180

    27. [27]

      Wang, S. H.; Yang, J.; Wu, X. B.; Li, Y. X.; Gong, Z. L.; Wen, W.; Lin, M.; Yang, J. H.; Yang, Y. J. Power Sources 2014, 245, 570. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.07.021

    28. [28]

      Wang, P. W.; Zhao, G. F.; Wang, Y.; Lu, Y. Sci. Adv. 2017, 3, 1. doi: 10.1126/sciadv.1603180

    29. [29]

      Song, J. J.; Sun, Y. N.; Ba, R. B.; Huang, S. S.; Zhao, Y. H.; Zhang, J.; Sun, Y. H.; Zhu, Y. Nanoscale 2015, 7, 2260. doi: 10.1039/c4nr06660j

    30. [30]

      Istadi, Amin, N. A. S. J. Mol. Catal. A 2006, 259, 61. doi: 10.1016/j.molcata.2006.06.003

    31. [31]

      Chu, C. Q.; Zhao, Y. H.; Li, S. G.; Sun, Y. H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 16509. doi: 10.1039/c6cp02459a

    32. [32]

      Istadi, A. N. A. S. J. Nat. Gas Chem. 2004, 13, 23.

    33. [33]

      Wang, Y.; Arandiyan, H.; Tahini, H. A.; Scott, J.; Tan, X.; Dai, H.; Gale, J. D.; Rohl, A. L.; Smith, S. C.; Amal, R. Nat. Commun. 2017, 8, 15553. doi: 10.1038/ncomms15553

    34. [34]

      Chou, L. J.; Cai, Y. C.; Zhang, B.; Niu, J. Z.; Ji, S. F.; Li, S. B. Appl. Catal. A Gen. 2003, 238, 185. doi: 10.1016/S0926-860X(02)00343-5

    35. [35]

      Jeon, W.; Lee, J. Y.; Lee, M.; Choi, J. W.; Ha, J. M.; Suh, D. J.; Kim, I. W. Appl. Catal. A Gen. 2013, 464–465, 68. doi: 10.1016/j.apcata.2013.05.020

    36. [36]

      Fleischer, V.; Steuer, R.; Parishan, S.; Schomäcker, R. J. Catal. 2016, 341, 91. doi: 10.1016/j.jcat.2016.06.014

    37. [37]

      Palermo, A.; Vazquez, J. P. H.; Lee, A. F.; Tikhov, M. S.; Lambert, R. M. J. Catal. 1998, 177, 259. doi: 10.1006/jcat.1998.2109

    38. [38]

      Liu, W. C.; Ralston, W. T.; Melaet, G.; Somorjai, G. A. Appl. Catal. A Gen. 2017, 545, 17. doi: 10.1016/j.apcata.2017.07.017

    39. [39]

      Jiang, Z. C.; Gong, H.; Li, S. B. Stud. Surf. Sci. Catal. 1997, 112, 481. doi: 10.1016/S0167-2991(97)80872-5

    40. [40]

      Lomonosov, V. I.; Gordienko, Y. A.; Sinev, M. Y.; Rogov, V. A.; Sadykov, V. A. Russ. J. Phys. Chem. A 2018, 92, 430. doi: 10.1134/S0036024418030147

    41. [41]

      Shahri, S. M. K.; Alavi, S. M. J. Nat. Gas Chem. 2009, 18, 25. doi: 10.1016/S1003-9953(08)60079-1

    42. [42]

      Xu, X. L.; Liu, F.; Han, X.; Wu, Y. Y.; Liu, W. M.; Zhang, R. B.; Zhang, N.; Wang, X. Catal. Sci. Technol. 2016, 6, 5280. doi: 10.1039/c5cy01870f

    43. [43]

      Sun, G. B.; Hidajat, K.; Wu, X. S.; Kawi, S. Appl. Catal. B Environ. 2008, 81, 303. doi: 10.1016/j.apcatb.2007.12.021

    44. [44]

      Brabers, V. A. M.; Setten, F. M. V.; Knapen, P. S. A. J. Solid State Chem. 1983, 49, 93. doi: 10.1016/0022-4596(83)90220-7

    45. [45]

      Zheng, W.; Cheng, D. G.; Zhu, N.; Chen, F. Q.; Zhan, X. L. J. Nat. Gas Chem. 2010, 19, 15. doi: 10.1016/S1003-9953(09)60029-3

    46. [46]

      Arndt, S.; Otremba, T.; Simon, U.; Yildiz, M.; Schubert, H.; Schomäcker, R. Appl. Catal. A Gen. 2012, 425–426, 53. doi: 10.1002/chin.201229234

    47. [47]

      Jiang, Z. C.; Yu, C. J.; Fang, X. P.; Li, S. B.; Wang, H. L. J. Phys. Chem. 1993, 97, 12870. doi: 10.1021/j100151a038

    48. [48]

      Kang, M.; Park, E. D.; Kim, J. M.; Yie, J. E. Appl. Catal. A Gen. 2007, 327, 261. doi: 10.1016/j.apcata.2007.05.024

    49. [49]

      Gambo, Y.; Jalila, A. A.; Triwahyono, S.; Abdulrasheed, A. A. J. Ind. Eng. Chem. 2018, 59, 218. doi: 10.1016/j.jiec.2017.10.027

    50. [50]

      Lee, M. R.; Park, M. J.; Jeon, W.; Choi, J. W.; Suh, Y. W.; Suh, D. J. Fuel Process. Technol. 2012, 96, 175. doi: 10.1016/j.fuproc.2011.12.038

    51. [51]

      Sun, J.; Thybaut, J. W.; Marin, G. B. Catal. Today 2008, 137, 90. doi: 10.1016/j.cattod.2008.02.026

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  651
  • HTML全文浏览量:  45
文章相关
  • 发布日期:  2019-09-15
  • 收稿日期:  2019-02-01
  • 接受日期:  2019-03-06
  • 修回日期:  2019-03-01
  • 网络出版日期:  2019-09-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章