烯烃是重要的化工原料,目前主要通过石油催化裂化得到.随着石油资源的消耗以及人们对烯烃需求的日益增长,开发非石油路线制取烯烃势在必行.合成气可以从煤、天然气和生物质等获得,由合成气作为重要的C1平台分子一步制取烯烃(STO)的过程受到了广泛关注.将合成气制甲醇/二甲醚的金属催化剂与甲醇制烯烃的分子筛催化剂耦合得到的混合双功能催化剂,可以使合成气高选择性地转化为烯烃.其中,ZnO/ZrO2金属氧化物催化剂被广泛应于合成气的活化,然而,该金属氧化物结构对混合双功能催化剂上合成气制烯烃反应的影响尚不明确.本文合成了单斜相ZrO2(m-ZrO2)和四方相ZrO2(t-ZrO2),并负载ZnO制成催化剂,再将其与SAPO-34分子筛物理混合得到混合双功能催化剂,用于合成气制烯烃反应中.在较优化的条件下,ZnO/m-ZrO2与SAPO-34分子筛组成的双功能催化剂CO转化率为27.9％,低碳烯烃选择性高达80.5％,性能明显优于ZnO/t-ZrO2+SAPO-34双功能催化剂.为研究ZrO2晶相对催化合成气制烯烃反应性能的影响,对ZnO/ZrO2进行红外光谱表征.结果 表明,ZnO/m-ZrO2较ZnO/t-ZrO2具有更多的表面羟基和更多的路易斯酸性位点.金属氧化物表面的路易酸主要与催化剂表面不饱和的金属离子有关,而且Zr基催化剂表面羟基有助于缺陷氧的形成,因此,ZnO/m-ZrO2催化剂表面应该具有更高浓度的氧缺陷位.光电子能谱进一步证明了ZnO/m-ZrO2表面有更高浓度的氧缺陷位.另外,Zr基催化剂上表面羟基还有利于CO与其形成羧酸盐物种,在623-673K条件下的CO原位吸附的红外光谱表明,ZnO/m-ZrO2催化剂上CO吸附的浓度及其表面羧酸盐浓度均明显高于ZnO/t-ZrO2催化剂,这与ZnO/m-ZrO2表现出更好的催化合成气转化性能一致.为了探究该催化剂体系上合成气制烯烃的反应路径,分别对两种晶相的ZnO/ZrO2和相应的双功能催化剂进行了原位红外监测.与CO红外漫反射相比,合成气氛围下金属氧化表面除了存在吸附态的CO和甲酸盐物种,还存在表面甲氧基物种,后者是合成气制甲醇/二甲醚过程重要的中间物种.对合成气制烯烃过程中分子筛上的停留物种进行分析,结果发现,停留物种中含有多甲基苯、多甲基萘等甲醇制烯烃过程中的烃池物种.另外,合成气氛围下双功能催化剂甲氧基信号峰明显弱于金属氧化物表面甲氧基的信号强度,表明STO过程应该是合成气制甲醇/二甲醚与甲醇制烯烃的串联过程.综上所述,在STO反应中,相较于ZnO/t-ZrO2催化剂,ZnO/m-ZrO2催化剂具有更高浓度的表面羟基物种、路易斯酸密度和表面氧缺陷位,从而有利于羧酸盐及甲氧基中间物种的形成,进而提高了混合双功能催化剂催化STO反应性能.

合成气制烯烃;晶相;ZnO/ZrO2;SAPO-34;双功能催化剂

刘朝鹏;倪友明;胡忠攀;傅怡;房旭东;蒋齐可;陈之旸;朱文良;刘中民

中国科学院大连化学物理研究所,甲醇制烯烃国家工程实验室,辽宁大连116023;中国科学院大连化学物理研究所,洁净能源国家实验室,辽宁大连116023;中国科学院大学,北京100049

催化学报

[1]刘朝鹏;倪友明;胡忠攀;傅怡;房旭东;蒋齐可;陈之旸;朱文良;刘中民-.ZrO2晶相对ZnO/ZrO2+SAPO-34双功能催化剂上合成气制烯烃反应的影响)[J].催化学报,2022(03):877-884

ZrO2+SAPO,673K

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