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摘要
丙烯作为一种重要的石油化工基础原料,传统上是从石脑油蒸汽裂解或催化裂化过程中作为副产物生产的.随着原油的枯竭和页岩气开发技术的成熟,通过乙烷蒸汽裂解制备乙烯更具吸引力并已得到广泛的工业应用,但该路线乙烯选择性高,而副产物丙烯数量有限.为满足不断增加的丙烯需求量,利用油田气和页岩气中低附加值的丙烷为原料,将其直接脱氢制丙烯(PDH)具有重要的现实意义.目前已开发成功的PDH技术采用的催化剂主要为负载PtSn型催化剂和Cr基催化剂.其中,Pt基催化剂较Cr基催化剂更加环境友好,因此得到了更广泛的应用.由于Pt元素的昂贵和稀有,制备低Pt含量和良好性能的催化剂极具吸引力.UOP Oleflex工艺开发的最新一代催化剂DEH-16仅含有0.3 wt%Pt,相对于前一代催化剂Pt含量降低30%.然而,许多文献报道,随着Pt含量的降低,催化剂的稳定性很容易恶化,降低Pt含量并保持催化剂性能仍具有一定的挑战.研究表明,含有更多Lewis酸性位点和更少Bronsted酸位点的催化剂显示出较好的丙烷脱氢活性和丙烯选择性.此外,源自缺陷位或配位不饱和位的Lewis酸性位也可为负载的金属颗粒提供锚定位点.BASF对ZrO2作为载体的丙烷脱氢催化剂进行了广泛研究,但其催化剂尚未完全商业化.有文献报道,ZrO2负载的PtSn催化剂在脱氢反应中的稳定性较差.将元素硼(B)加入到ZrO2中可以极大地抑制Bronsted酸性而提高Lewis酸量和酸强度,因此我们推测含有适量配位不饱和Zr位点的ZrO2作为PtSn丙烷脱氢催化剂载体可能具有优异的性能.载体的合成pH值对催化剂PDH性能也会有影响.然而,目前还没有硼改性的ZrO2 (B-ZrO2)合成pH值对PDH催化性能影响的研究.本文研究了B-ZrO2的合成pH值(9,10和11)对PtSn/B-ZrO2在丙烷脱氢反应中催化性能的影响.Py-IR结果表明各pH值下合成的B-ZrO2均只有Lewis酸,NH3-TPD结果则表明B-ZrO2的Lewis酸量和强度随合成pH值的增加而增加.XPS结果显示,载体对Pt和Sn电子性质的影响不容忽视.由于OSC与CO氧化活性之间没有线性关系,因此Pt和Sn之间的相互作用程度在CO氧化反应中可能起主要作用,并有如下递增趋势:PtSn/B-ZrO2-9 <PtSn/B-ZrO2-11 <PtSn/B-ZrO2-10.由于PtSn/B-ZrO2-10中Sn0含量适中,适中的被负载金属与载体间的相互作用强度有利于Pt和Sn之间更紧密的相互作用,这可能是该催化剂丙烷脱氢催化活性和稳定性均较好的主要原因.
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单位催化基础国家重点实验室; 中国科学院大连化学物理研究所; 中国科学院大学
