SiBeta负载的VOx催化剂在丙烷直接脱氢制丙烯中的活性位

陈冲 孙明磊 胡忠攀 刘玉萍 张守民 袁忠勇

引用本文: 陈冲,  孙明磊,  胡忠攀,  刘玉萍,  张守民,  袁忠勇. SiBeta负载的VOx催化剂在丙烷直接脱氢制丙烯中的活性位[J]. 催化学报, 2020, 41(2): 276-285. doi: S1872-2067(19)63444-3 shu
Citation:  Chong Chen,  Minglei Sun,  Zhongpan Hu,  Yuping Liu,  Shoumin Zhang,  Zhong-Yong Yuan. Nature of active phase of VOx catalysts supported on SiBeta for direct dehydrogenation of propane to propylene[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(2): 276-285. doi: S1872-2067(19)63444-3 shu

SiBeta负载的VOx催化剂在丙烷直接脱氢制丙烯中的活性位

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21421001,21573115);111计划(B12015);煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室基金(2017-K13).

摘要: 丙烯是一种非常重要的化工基础原料,主要用来生产高价值的化学品,如丙烯腈,异丙醇和甘油等.丙烯的传统来源主要是石油的催化裂化反应,以及石脑油和轻柴油的裂解过程.随着石油资源的减少,丙烷直接脱氢制丙烯技术逐渐成为一条重要的丙烯生产渠道.V基催化剂在丙烷氧化脱氢反应中被广泛研究,但被用于丙烷直接脱氢反应的报道还较少,且V基催化剂在丙烷直接脱氢制丙烯中的活性位目前还没有统一定论,可能是由于V的活性物种与载体性质密切相关,因此研究V基催化剂在不同载体上的活性位具有重要意义.Beta沸石分子筛具有规则微孔结构,高的比表面积以及可调节的酸性,是一种理想的金属催化剂载体.本文采用脱铝后的Beta分子筛作为V催化剂载体,通过调节V的负载量探究丙烷直接脱氢活性和VOx结构的关系,以及催化剂的酸性对性能的影响.
活性测试结果显示,V负载量分别为3 wt%,7 wt%和10 wt%时(催化剂分别命名为3VSiBeta,7VSiBeta和10VSiBeta),三者的催化活性十分接近,此外,这些催化剂还具有较好的循环利用性,但碳沉积,丙烯选择性以及失活率都是随着V负载量的升高而增加.XRD和N2吸附结果揭示,VOx在SiBeta上呈高度分散状态,并且当V负载量从3 wt%升至10 wt%时,表面V密度发生明显变化,VOx物种在3VSiBeta中可基本实现孤立的单分散状态.同时,DR UV-vis,H2-TPR以及Raman测试结果表明,VOx物种的聚合程度随V负载量的升高逐渐增加.NH3-TPD结果表明,Beta载体在脱铝后本身的酸性位完全消除,但是负载V后引入了新的酸性位,并且3VSiBeta,7VSiBeta和10VSiBeta三者的酸量基本相当.尽管XPS结果显示,不同VSiBeta催化剂上的V价态分布有差异,但是相似的催化活性说明VSiBeta催化剂的活性位与形成的酸性位数目密切相关,而受V初始价态的影响不大.本文指出,酸性位可能是与V-O-Si键直接相关,V负载量从3 wt%增加到10 wt%,会逐渐形成无催化活性的V-O-V键,导致活性不能进一步提升.因此,3VSiBeta催化剂中可实现孤立的VOx物种单层分散在SiBeta载体上,形成了大量的酸性V-O-Si键,从而显示出和高负载量的VSiBeta催化剂相当的活性以及较高的脱氢稳定性.

English

    1. [1] J. J. H. B. Sattler, I. D. Gonzalez-Jimenez, L. Luo, B. A. Stears, A. Malek, D. G. Barton, B. A. Kilos, M. P. Kaminsky, T. W. G. M. Verhoeven, E. J. Koers, M. Baldus, B. M. Weckhuysen, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9251-9256.

    2. [2] J. J. H. B. Sattler, J. Ruiz-Martinez, E. Santillan-Jimenez, B. M. Weckhuysen, Chem. Rev., 2014, 114, 10613-10653.

    3. [3] Z.-P. Hu, D. Yang, Z. Wang, Z. Y. Yuan, Chin. J. Catal., 2019, 40, 1233-1254.

    4. [4] J. C. Serranoruiz, A. Sepulvedaescribano, F. Rodriguezreinoso, J. Catal., 2007, 246, 158-165.

    5. [5] J. Li, J. Li, Z. Zhao, X. Fan, J. Liu, Y. Wei, A. Duan, Z. Xie, Q. Liu, J. Catal., 2017, 352, 361-370.

    6. [6] M. Botavina, C. Barzan, A. Piovano, L. Braglia, G. Agostini, G. Martra, E. Groppo, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 1690-1700.

    7. [7] B. Hu, A. B. Getsoian, N. M. Schweitzer, U. Das, H. S. Kim, J. Niklas, O. Poluektov, L. A. Curtiss, P. C. Stair, J. T. Miller, A. S. Hock, J. Catal., 2015, 322, 24-37.

    8. [8] Z.-P. Hu, J.-T. Ren, D. Yang, Z. Wang, Z.-Y. Yuan, Chin. J. Catal., 2019, 40, 1385-1394.

    9. [9] H. Xiong, S. Lin, J. Goetze, P. Pletcher, H. Guo, L. Kovarik, K. Artyushkova, B. M. Weckhuysen, A. K. Datye, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8986-8991.

    10. [10] L. Shi, G. M. Deng, W. C. Li, S. Miao, Q. N. Wang, W. P. Zhang, A. H. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 13994-13998.

    11. [11] M. Santhoshkumar, N. Hammer, M. Ronning, A. Holmen, D. Chen, J. Walmsley, G. Oye, J. Catal., 2009, 261, 116-128.

    12. [12] C. A. Carrero, C. J. Keturakis, A. Orrego, R. Schomacker, I. E. Wachs, Dalton Trans., 2013, 42, 12644-12653.

    13. [13] F. Cavani, N. Ballarini, A. Cericola, Catal. Today, 2007, 127, 113-131.

    14. [14] A. Christodoulakis, M. Machli, A. A. Lemonidou, S. Boghosian, J. Catal., 2004, 222, 293-306.

    15. [15] P. Bai, Z. Ma, T. Li, Y. Tian, Z. Zhang, Z. Zhong, W. Xing, P. Wu, X. Liu, Z. Yan, ACS Appl Mater Interfaces, 2016, 8, 25979-25990.

    16. [16] S. Sokolov, M. Stoyanova, U. Rodemerck, D. Linke, E. V. Kondratenko, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 1323-1332.

    17. [17] U. Rodemerck, M. Stoyanova, E. V. Kondratenko, D. Linke, J. Catal., 2017, 352, 256-263.

    18. [18] G. Liu, Z.-J. Zhao, T. Wu, L. Zeng, J. Gong, ACS Catal., 2016, 6, 5207-5214.

    19. [19] P. Hu, W.-Z. Lang, X. Yan, X.-F. Chen, Y.-J. Guo, Appl. Catal. A, 2018, 553, 65-73.

    20. [20] S. Sokolov, M. Stoyanova, U. Rodemerck, D. Linke, E. V. Kondratenko, J. Catal., 2012, 293, 67-75.

    21. [21] S. Dzwigaj, P. Massiani, A. Davidson, M. Che, J. Mol. Catal. A, 2000, 155, 169-182.

    22. [22] R. Baran, F. Averseng, Y. Millot, T. Onfroy, S. Casale, S. Dzwigaj, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 4143-4150.

    23. [23] A. Śrębowata, R. Baran, S. Casale, I. I. Kamińska, D. Łomot, D. Lisovytskiy, S. Dzwigaj, Appl. Catal. B, 2014, 152-153, 317-327.

    24. [24] A. Rokicixnska, M. Drozdek, B. Dudek, B. Gil, P. Michorczyk, D. Brouri, S. Dzwigaj, P. Kuxstrowski, Appl. Catal. B, 2017, 212, 59-67.

    25. [25] K. Góra-Marek, J. Datka, S. Dzwigaj, M. Che, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 6763-6767.

    26. [26] S. Dzwigaj, M. Matsuoka, M. Anpo, M. Che, J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 6012-6020.

    27. [27] M. Trejda, M. Ziolek, Y. Millot, K. Chalupka, M. Che, S. Dzwigaj, J. Catal., 2011, 281, 169-176.

    28. [28] R. Baran, T. Onfroy, T. Grzybek, S. Dzwigaj, Appl. Catal. B, 2013, 136-137, 186-192.

    29. [29] W. Zhang, W. Hou, T. Meng, W. Zhuang, J. Xie, Y. Zhou, J. Wang, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 6050-6058.

    30. [30] A. Held, J. Kowalska-Kuś, Y. Millot, F. Averseng, C. Calers, L. Valentin, S. Dzwigaj, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 18570-18582.

    31. [31] S. Dzwigaj, Curr. Opinion Solid State Mater. Sci., 2003, 7, 461-470.

    32. [32] S. Dźwigaj, I. Gressel, B. Grzybowska, K. Samson, Catal. Today, 2006, 114, 237-241.

    33. [33] R. Baran, J.-M. Krafft, T. Onfroy, T. Grzybek, S. Dzwigaj, Microporous Mesoporous Mater., 2016, 225, 515-523.

    34. [34] P. Boroń, L. Chmielarz, B. Gil, B. Marszałek, S. Dzwigaj, Appl. Catal. B, 2016, 198, 457-470.

    35. [35] N. Alonso-Fagundez, M. L. Granados, R. Mariscal, M. Ojeda, ChemSusChem, 2012, 5, 1984-1990.

    36. [36] V. Fornés, C. López, H. H. López, A. Martínez, Appl. Catal. A, 2003, 249, 345-354.

    37. [37] I. E. Wachs, B. M. Weckhuysen, Appl. Catal. A, 1997, 157, 67-90.

    38. [38] M. D. Argyle, K. Chen, A. T. Bell, E. Iglesia, J. Catal., 2002, 208, 139-149.

    39. [39] M. Piumetti, B. Bonelli, P. Massiani, S. Dzwigaj, I. Rossetti, S. Casale, M. Armandi, C. Thomas, E. Garrone, Catal. Today, 2012, 179, 140-148.

    40. [40] M. Piumetti, B. Bonelli, P. Massiani, Y. Millot, S. Dzwigaj, L. Gaberova, M. Armandi, E. Garrone, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 142, 45-54.

    41. [41] Y. N. Zhang, G. Zhao, Y. Lei, P. Li, M. Li, Y. Jin, B. Lv, ChemPhysChem, 2010, 11, 3491-3498.

    42. [42] E. V. Kondratenko, M. Cherian, M. Baerns, D. Su, R. Schlogl, X. Wang, I. Wachs, J. Catal., 2005, 234, 131-142.

    43. [43] S. Shylesh, A. P. Singh, J. Catal., 2004, 228, 333-346.

    44. [44] U. Rodemerck, S. Sokolov, M. Stoyanova, U. Bentrup, D. Linke, E. V. Kondratenko, J. Catal., 2016, 338, 174-183.

    45. [45] X. L. Xue, W. Z. Lang, X. Yan, Y. J. Guo, ACS Appl Mater Interfaces, 2017, 9, 15408-15423.

    46. [46] P. I. Kyriienko, O. V. Larina, N. O. Popovych, S. O. Soloviev, Y. Millot, S. Dzwigaj, J. Mol. Catal. A, 2016, 424, 27-36.

    47. [47] T. Wu, G. Liu, L. Zeng, G. Sun, S. Chen, R. Mu, S. Agbotse Gbonfoun, Z.-J. Zhao, J. Gong, AIChE J., 2017, 63, 4911-4919.

    48. [48] M. C. Biesinger, L. W. M. Lau, A. R. Gerson, R. S. C. Smart, Appl. Surf. Sci., 2010, 257, 887-898.

    49. [49] B. P. Barberoa, L. E. Cadúsa, L. Hilaire, Appl. Catal. A, 2003, 246, 237-242.

    50. [50] Z. J. Zhao, T. Wu, C. Xiong, G. Sun, R. Mu, L. Zeng, J. Gong, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 6791-6795.

    51. [51] O. Ovsitser, R. Schomaecker, E. V. Kondratenko, T. Wolfram, A. Trunschke, Catal. Today, 2012, 192, 16-19.

    52. [52] C. Chen, Z. Hu, J. Ren, S. Zhang, Z. Wang, Z.-Y. Yuan, ChemCatChem, 2019, 11, 868-877.

    53. [53] S. Sokolov, V. Y. Bychkov, M. Stoyanova, U. Rodemerck, U. Bentrup, D. Linke, Y. P. Tyulenin, V. N. Korchak, E. V. Kondratenko, ChemCatChem, 2015, 7, 1691-1700.

    54. [54] W. Zhang, G. Innocenti, M. Ferbinteanu, E. V. Ramos-Fernandez, A. Sepulveda-Escribano, H. Wu, F. Cavani, G. Rothenberg, N. R. Shiju, Catal. Sci. Technol., 2019, 10.1039/c1037cy02309j.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1064
  • HTML全文浏览量:  22
文章相关
  • 收稿日期:  2019-05-26
  • 修回日期:  2019-07-09
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