羟基化氮化硼催化乙烷氧化脱氢制乙烯

石磊 ,  闫冰 ,  邵丹 ,  姜凡 ,  王东琪 ,  陆安慧

引用本文: 石磊,  闫冰,  邵丹,  姜凡,  王东琪,  陆安慧. 羟基化氮化硼催化乙烷氧化脱氢制乙烯[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 389-395. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62786-4 shu
Citation:  Lei Shi,  Bing Yan,  Dan Shao,  Fan Jiang,  Dongqi Wang,  An-Hui Lu. Selective oxidative dehydrogenation of ethane to ethylene over a hydroxylated boron nitride catalyst[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 389-395. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62786-4 shu

羟基化氮化硼催化乙烷氧化脱氢制乙烯

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21225312,U1462120,21473206);长江学者奖励计划(批准号T2015036).

摘要: 乙烯是最为重要的化工原料之一,目前其工业来源主要来自于烃类的水蒸汽裂解过程.该过程本质上是一个高温均相裂解过程,温度(>800℃)高,能耗大,碳排放严重.乙烷氧化脱氢制乙烯属于放热反应,反应温度低,速率快,无积碳等限制,是一条更富有竞争力的工艺路线.然而,常用的金属或金属氧化物催化剂容易导致乙烯深度氧化,从而降低了乙烯选择性.纳米碳材料在烃类氧化脱氢反应中展现出一定的催化活性,但容易被氧化,难以用于反应温度高的乙烷氧化脱氢反应.
本文报道了羟基化的氮化硼(BNOH)可高效催化乙烷氧化脱氢制乙烯.氮化硼边沿羟基官能团脱氢生成了动态活性位,从而引发了乙烷的脱氢反应.BNOH对乙烷氧化脱氢制乙烯显示出高选择性.当乙烷转化率在11%,乙烯选择性可高达95%;当乙烷转化率增加到40%,乙烯选择性保持在90%.重要的是,当乙烷转化率超过60%时,BNOH仍然可保持80%的乙烯选择性以及50%的乙烯收率.这些性能指标与现有工业乙烷水蒸气裂解过程运行性能相当.进一步优化反应条件,BNOH催化剂能够实现高达9.1 gC2H4 gcat-1 h-1的时空收率.经过200 h的氧化脱氢反应测试,BNOH催化剂活性和选择性基本恒定,表明其具有非常好的稳定性.X射线粉末衍射结果显示,反应前后BNOH催化剂的物相没有发生变化.透射电子显微镜测试证实,反应后BNOH催化剂的形貌和微观结构也没有明显改变.X射线光电子能谱结果显示,反应200 h后BNOH催化剂表面的氧含量仅从反应前的6.9 atom%微增到8.3 atom%.1H固体核磁共振谱测试显示,反应200 h后,BNOH催化剂上羟基含量无明显改变.结合原位透射红外光谱和同位素示踪实验,初步确定了BNOH催化剂上引发乙烷氧化脱氢反应的活性中心.氮化硼边沿的氧官能团并不能引发乙烷的氧化脱氢反应,而羟基官能团才是氧化脱氢反应发生的活性位.在乙烷氧化脱氢条件下,分子氧脱除羟基官能团上的氢原子动态生成BNO·和HO2·活性位.密度泛函理论计算表明,乙烷首先在BNO·或HO2·位活化生成乙基自由基,这些中间物进一步与气相氧物种发生反应脱氢生成乙烯.动力学测试结果也验证了上述实验和理论结果.

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  • 发布日期:  2017-03-02
  • 收稿日期:  2017-01-09
  • 修回日期:  2017-01-18
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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