王文秀 ,高秀娟 ,熊 盼 ,張俊峰 ,宋法恩 ,張清德,3,* ,韓怡卓 ,譚猗生
(1. 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室,山西 太原 030001;2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3. 中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院,遼寧 大連 116023)
甲醇是一種重要的化工原料,可以由煤、天然氣、生物質(zhì)等[1? 3]通過合成氣的途徑制得,但由于近年來合成氣制甲醇技術(shù)的成熟,甲醇產(chǎn)量顯著增加造成了產(chǎn)能過剩,開發(fā)甲醇下游產(chǎn)品受到廣泛關(guān)注。甲醇可以制取乙烯、丙烯、芳烴、環(huán)烷烴等有機化工產(chǎn)品[4],且也可通過氧化的方法制取甲醛、甲縮醛、甲酸甲酯(MF)等含氧化合物[5],而甲醇氧化的路徑原子經(jīng)濟性好,能耗低,具有廣闊的應(yīng)用前景。
甲縮醛(DMM),是一種理想的新型綠色環(huán)保型溶劑[6,7],因其擁有優(yōu)良的理化性質(zhì)在醫(yī)療、化妝品、涂料等多個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[8?10]。另外,甲縮醛作為一種新的平臺含氧化合物,受到越來越多的關(guān)注和重視,以其為原料可以合成高附加值的甲氧基乙酸甲酯、乙二醇及清潔柴油添加劑聚甲氧基二甲醚等[11,12]。目前,工業(yè)上制取甲縮醛的方法主要是甲醇、甲醛縮合法,但由于該法采用催化劑酸性較強,對設(shè)備腐蝕性強,不適宜裝置的長期使用。因此,采用甲醇氧化一步法制取甲縮醛得到了廣泛的關(guān)注。
近年來,研究人員對甲醇氧化直接制取甲縮醛進行了較多的研究,開發(fā)出了以貴金屬Ru 基、Re基催化劑[13],雜多酸催化劑[14]以及非貴金屬V 基催化劑為代表的多種催化劑。但由于貴金屬價格昂貴,雜多酸催化劑操作溫度較高、易分解等原因限制了其推廣使用。其中,V 基催化劑是該反應(yīng)中研究較多的催化劑,在研究人員的努力下,V 基催化劑上已經(jīng)實現(xiàn)了高選擇性制取甲縮醛[15?17],然而V 基催化劑存在著釩源毒性較大,TiO2熱穩(wěn)定性差、機械強度不高等問題,這在很大程度上限制了其進一步在工業(yè)上規(guī)?;瘧?yīng)用。因此,采用環(huán)境友好、價格低廉的非貴金屬催化劑實現(xiàn)甲醇低溫氧化高效制備甲縮醛,且過程無COx生成,是非常有必要的。
先前的研究發(fā)現(xiàn),Mo-Sn 催化劑在醇醚氧化中具有良好的性能。Ai[18]在Mo-Sn 催化劑上實現(xiàn)了甲醇氧化高選擇性制取甲酸甲酯,并發(fā)現(xiàn)甲醇氧化為甲醛是該反應(yīng)中的決速步。近年來,本課題組在Mo-Sn 催化劑催化二甲醚低溫氧化上開展了系統(tǒng)的研究工作。發(fā)現(xiàn),采用浸漬法制備的Mo-Sn 催化劑上適當(dāng)?shù)腗o?O 鍵配位數(shù)(1.94 ?)的存在,是催化劑性能提升的主要原因[19]。而對于共沉淀法制備的Mo-Sn 催化劑來說,Mo-Sn 界面處存在的少量Mo5+是促進催化劑活性提高的重要因素[20]。楊奇等[21]采用了水熱合成法制備的Mo-Sn 催化劑具有較多的Mo5+物種,這些Mo5+物種的存在有利于二甲醚分子C?O 鍵斷裂產(chǎn)生的甲氧基進一步氧化轉(zhuǎn)化為甲醛。同時,甲氧基氧化脫氫為甲醛也是甲醇轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟,且相比二甲醚分子,甲醇分子比較簡單,含有一個甲氧基,為了進一步認識Mo5+的形成機理及低溫氧化C-H 的作用機制,本實驗開展了在鉬錫催化劑上甲醇氧化轉(zhuǎn)化的研究。
本工作采用水熱合成的方法,制備了一系列具有不同Mo 含量的Mo-Sn 催化劑,并將其用于甲醇氧化制取甲縮醛反應(yīng)。到目前為止,在Mo-Sn 催化劑上甲醇氧化高選擇性制取甲縮醛的文獻報道還極少。實驗結(jié)果表明,低Mo 含量的催化劑具有良好的甲醇氧化制取甲縮醛的性能。采用一系列表征手段,并結(jié)合催化劑性能評價,研究了Mo的量對催化劑活性位結(jié)構(gòu)的影響以及促進Mo5+形成的關(guān)鍵因素。
采用水熱合成的方法制備不同Mo 含量的Mo-Sn 催化劑,Mo/Sn 物質(zhì)的量之比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶8、1∶10、1∶20。以SnCl4·5H2O與(NH4)6Mo7O24·4H2O 為前驅(qū)體,按照所需物質(zhì)計量比稱取SnCl4·5H2O 與(NH4)6Mo7O24· 4H2O,加入到盛有去離子水的聚四氟乙烯內(nèi)襯中,60 ℃水浴加熱,待藥品完全溶解后轉(zhuǎn)移至均相反應(yīng)器中,120 ℃反應(yīng)24 h。對冷卻得到的沉淀物進行離心、洗滌、干燥,最后置于管式爐中,氧氣氣氛下500 ℃焙燒8 h 得到不同Mo 含量的Mo-Sn 催化劑,分別標記為Mo2Sn1、Mo1Sn1、Mo1Sn2、Mo1Sn3、Mo1Sn4、Mo1Sn5、Mo1Sn8、Mo1Sn10、Mo1Sn20。
甲醇氧化反應(yīng)在常壓連續(xù)流動固定床反應(yīng)裝置上進行。催化劑(20?40 目)的裝填量為0.5 mL。為防止反應(yīng)過程中由于劇烈放熱導(dǎo)致催化劑快速失活,在裝填的催化劑中使用三倍于其體積的細瓷環(huán)(20?40 目)進行稀釋。反應(yīng)前催化劑在氧氣氣氛下活化2 h,甲醇進料流量為0.817 mL/h,體積空速為7200 h?1。
反應(yīng)出口產(chǎn)物采用三臺色譜進行取樣分析:有機含氧化合物采用GC-2014CPF/SP L(日本島津公司,F(xiàn)ID 檢測器,DB-1 毛細管柱)、GC-2014(日本島津公司,色譜柱為3 m Porapak T 填料),TCD檢測器分析;同時在GC-4000A 色譜(北京東西分析儀器有限公司)上分析永久性氣體H2、CH4和COx。
將以上三臺色譜所得到的結(jié)果進行校正處理后根據(jù)下列公式計算甲醇(CH3OH)的轉(zhuǎn)化率及相關(guān)產(chǎn)物的選擇性:
式中,i,分別為產(chǎn)物中的CH3OCH3、HCHO、HCOOCH3、CH3OCH2OCH3、CO、CO2;si:產(chǎn)物i的碳摩爾選擇性;ai:產(chǎn)物i分子內(nèi)的碳原子數(shù)目;ni:尾氣中產(chǎn)物i的摩爾數(shù)。
程序升溫脫附(NH3-TPD)測試是在TP 5080化學(xué)吸附儀上進行的。將100 mg 催化劑樣品(20?40 目)置于樣品管中,N2氣氛下程序升溫至400 ℃,恒溫1 h 后降溫至50 ℃,通入NH310 min 并靜置10 min,然后用N2吹掃30 min 后程序升溫至600 ℃進行脫附并記錄信號。
程序升溫還原(H2-TPR)測試是在TP 5080 化學(xué)吸附儀上進行的。取100 mg 催化劑樣品(20?40 目)置于樣品管中,N2氣氛下程序升溫至200 ℃,恒溫1 h 后降溫至50 ℃。然后,通入N2與H2混合氣,待基線平穩(wěn)后,以10 ℃/min 的速率程序升溫至900 ℃進行升溫還原,并記錄信號。
X 射線衍射(XRD)測試在Bruker Advanced XRay Solution/D8 型X 射線衍射儀上實現(xiàn)。掃描角度為5°?90°,使用CuKα 射線,電流15 mA,電壓40 kV。
拉曼(Raman)表征在LABRAM-HR800 型拉曼光譜儀進行測試,測試激光波長532 nm,掃描100?1100 cm?1。
X 射線光電子能譜(XPS)表征是在AXIS ULTRA DLD 型X 射線光電子能譜儀上檢測的,粒子源為AlKα(hν= 1486.6 eV),加速電壓12.5 kV,能譜功率250 W,用C 1s的結(jié)合能(284.6 eV)與所測元素進行比對校正。
傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)是在Bruker Tensor 27 上進行的,背景掃描使用的是KBr,儀器檢測器為MCT 檢測器,掃描點數(shù)為64 個,分辨率為4 cm?1,。將粉末狀催化劑樣品放入紅外池中,以Ar 作為載氣,升溫至200 ℃,處理1 h,然后降至測試溫度進行檢測。
表1 為甲醇在不同Mo 含量的鉬錫催化劑上選擇性氧化的評價結(jié)果。由表1 可知,不同Mo 含量催化劑的催化性能差異較大。隨著Mo 摻雜量的減少,甲醇轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)出降低的趨勢,DMM選擇性明顯升高,同時伴隨著二甲醚(DME)及MF 選擇性的下降。根據(jù)之前的研究顯示,甲醇會在氧化性位點生成甲醛并與甲醇反應(yīng)生成半縮醛中間體,而半縮醛會在氧化性位點上脫氫生成甲酸甲酯或在酸中心上生成甲縮醛[22],而評價結(jié)果中產(chǎn)物的選擇性變化規(guī)律,可能是由于催化劑結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致表面性質(zhì)改變引起的。如表1 所示,當(dāng)Mo 量在催化劑中所占物質(zhì)的量比為1∶9 時,產(chǎn)物DMM 的選擇性達到87.8%,進一步降低Mo 的含量,DMM 的選擇性基本維持在88%左右,說明Mo1Sn8、Mo1Sn10、Mo1Sn20 具有相似的結(jié)構(gòu)或表面性質(zhì)。且在所有評價的催化劑上,并沒有發(fā)現(xiàn)COx的生成。另外,單一的SnO2與MoO3并未表現(xiàn)出催化活性,只有在鉬錫氧化物上時才有目標產(chǎn)物的產(chǎn)生,且產(chǎn)物分布隨Mo 量變化而改變。說明,Mo 摻入量的變化,影響了鉬氧化物與錫氧化物之間的相互作用,進而對催化劑的結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)產(chǎn)生了影響。
表 1 不同Mo 量Mo-Sn 催化劑上甲醇轉(zhuǎn)化的反應(yīng)性能Table 1 Effect of Mo content on the performance of Mo-Sn catalysts for methanol conversion
2.2.1 XRD 表征
圖1 為不同Mo 含量催化劑的XRD 譜圖。位于12.7°、23.3°、25.7°、27.3°、33.8°、39.0°的衍射峰歸屬于斜方晶系MoO3的特征衍射峰(PDF card No.35-0609),而在26.6°、33.9°、37.9°、51.7°處的寬峰歸屬于四方晶系SnO2(PDF card No.41-1445)的特征衍射峰??梢?,當(dāng)Mo 摻入量減少時,MoO3的衍射峰逐漸消失,SnO2衍射峰的峰高略有增加。這說明,在Mo 量減少的過程中,鉬氧化物在SnO2表面可能是以高度分散或以無定形形式存在。而由于這種結(jié)構(gòu)變化所體現(xiàn)出的表面性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,可能是甲醇實現(xiàn)高選擇性制取DMM 的原因。
圖1 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XRD 譜圖Figure 1 XRD patterns of Mo-Sn catalysts with different Mo contents a: Mo2Sn1; b: Mo1Sn2; c: Mo1Sn4; d: Mo1Sn8;e: Mo1Sn10; f: Mo1Sn20
2.2.2 Raman 表征
不同Mo 含量催化劑的Raman 表征結(jié)果如圖2所示。處于627、770 cm?1位置的峰歸屬于SnO2的特征衍射峰,處于820 cm?1處的峰為MoO3晶體上 Mo?O?Mo 結(jié)構(gòu)中氧的橋式振動峰,處于992 cm?1的峰為MoO3晶體末端Mo=O 雙鍵的伸縮振動峰[19]??梢钥闯?,當(dāng)Mo 含量較多時,催化劑中鉬氧化物主要以MoO3晶形結(jié)構(gòu)為主,隨著Mo 含量減少、Sn 含量增多,催化劑的晶型結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生了變化;當(dāng)Mo 含量小于(或等于)1∶9 時,樣品主要以MoOx的結(jié)構(gòu)為主,特別是Mo1Sn20 催化劑,位于992 cm?1位置歸屬于MoO3的衍射峰消失,說明大部分的MoO3轉(zhuǎn)變成了不同形態(tài)的MoOx。
圖2 中,處于898 cm?1位置的峰為低聚態(tài)MoOx中Mo?O?Mo 結(jié)構(gòu)的橋式振動,975 和965 cm?1的峰為低聚態(tài)MoOx末端Mo=O 的伸縮振動[21]。隨著Mo 含量的減少,歸屬于低聚態(tài)MoOx的峰面積總體在減小,但歸屬于低聚態(tài)MoOx的峰與歸屬于MoO3的峰面積比卻在逐漸增大,表明低含量的Mo 有利于MoOx結(jié)構(gòu)的形成,而該結(jié)構(gòu)的增多也會導(dǎo)致催化劑氧化還原性質(zhì)的改變[23]。結(jié)合評價結(jié)果,MoOx結(jié)構(gòu)的相對含量越高,甲醇定向轉(zhuǎn)化成DMM 的能力越強,說明MoOx結(jié)構(gòu)在甲醇氧化生成DMM 過程中起著重要作用。
圖2 不同Mo 含量催化劑的Raman 譜圖Figure 2 Raman spectra of catalysts with different Mo content a: Mo2Sn1; b: Mo1Sn2; c: Mo1Sn4; d: Mo1Sn8;e: Mo1Sn10; f: Mo1Sn20
2.2.3 FT-IR 表征
進一步對催化劑結(jié)構(gòu)進行FT-IR 表征,具體見圖3,不同Mo 含量的Mo-Sn 催化劑表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特征。其中,3524 cm?1處的峰為M?OH 特征峰,Mo2Sn1 中的1015、996 cm?1處的峰為MoO3中Mo=O 的特征峰,且在822 cm?1處存在區(qū)別于其他催化劑的代表MoO3中Mo?O?Mo 的特征峰,說明該催化劑中Mo 的主要存在形式為MoO3[24];其他催化劑中977、971、928、908、893 cm?1處的峰歸屬為低聚態(tài)MoOx中Mo=O 的特征峰[25],說明除Mo2Sn1 外催化劑中Mo 主要以MoOx的形式存在,這與Raman結(jié)果相一致。并且,隨著Mo 含量的減少,MoOx中Mo=O 的特征峰向低波段移動,說明Mo 含量的減少對鉬氧化物的相互作用產(chǎn)生了影響,Mo 的存在形式在逐漸發(fā)生改變,當(dāng)Mo 含量極少時,可能影響著MoOx的聚合程度[23]。
圖3 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的FT-IR 譜圖Figure 3 FT-IR spectra of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
2.2.4 XPS 表征
催化劑表面的元素價態(tài)通常對催化劑的氧化還原性質(zhì)有著重要的影響,因此,采用XPS 手段對Mo 與Sn 的價態(tài)進行了表征分析。如圖4 所示,含有不同Mo 量催化劑Sn 3d的結(jié)合能峰位于487.19 與495.56 eV,說明Sn 組分以Sn4+的形式存在[26]。在Mo 3d的譜圖中,Mo 的位置發(fā)生了偏移,說明Mo 的價態(tài)或電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。進一步對Mo 3d的XPS 譜線進行分峰擬合(圖5),在236.2、233.1、235.1 與231.8 eV 附 近 可 得 到 四 個擬 合 峰,分 別 歸 屬 于Mo6+3d3/2、Mo6+3d5/2、Mo5+3d3/2和 Mo5+3d5/2[27]。表2 為XPS-Mo 3d的 分 析結(jié)果,定量計算了催化劑表面Mo5+與Mo6+的相對含 量,結(jié) 果 顯 示,Mo2Sn1、Mo1Sn2、Mo1Sn4 等Mo 含量較多的催化劑所含Mo5+的相對含量較少,而將Mo 的量減少至Mo1Sn8、Mo1Sn20 時Mo5+的相對含量明顯提高,說明較少含量Mo 的存在更有利于Mo5+的形成。這一結(jié)果與Raman 的結(jié)果相對應(yīng)。根據(jù)報道,MoOx域相較于MoO3具有更強的電子離域特性[23],因而可能導(dǎo)致更多Mo5+的產(chǎn)生。另外,在Mo1Sn10、Mo1Sn20 催化劑中,由于Mo 含量較少、分布均勻,可導(dǎo)致加入的鉬氧化物幾乎都與錫表面作用形成Sn?O?Mo 鍵[20],鉬氧化物在與錫氧化物接觸的界面處受到的作用力可能會增強,這種作用力可能會導(dǎo)致鉬氧化物的分布狀態(tài)發(fā)生變化,這也可能是Mo5+增多的又一原因。
圖4 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XPS-Sn 3d 譜圖Figure 4 XPS-Sn 3d spectra of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
圖5 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XPS-Mo 3d 譜圖Figure 5 XPS-Mo 3d spectra of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
圖6 與表3 分別顯示了催化劑中O 1s軌道的結(jié)合能變化及擬合結(jié)果。在圖6 中,隨著Mo 含量在催化劑中的變化,O 1s的結(jié)合能峰位發(fā)生移動;對其進行擬合后發(fā)現(xiàn),隨Mo 量減少時歸屬于羥基的O 物種(OOH)的相對含量有增加的趨勢。
圖6 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XPS-O 1s 譜圖Figure 6 XPS-O 1s spectra of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
表 2 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XPS-Mo 3d 譜圖分析Table 2 XPS-Mo 3d analysis of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
2.2.5 H2-TPR 表征
通過H2-TPR 表征(圖7)發(fā)現(xiàn),譜圖中主要存在四種還原峰。其中,位于700 ℃左右的峰為SnO2的還原峰,位于200?400 ℃的還原峰歸結(jié)于Mo6+→Mo5+的還原,而位于400?500 ℃的還原峰歸結(jié)于Mo5+→Mo4+的還原,550 ℃左右的還原峰歸結(jié)于Mo6+→Mo4+的還原,當(dāng)反應(yīng)溫度較低時主要關(guān)注低溫段還原峰的變化[21],即Mo6+→Mo5+還原峰的變化。當(dāng)Mo 含量減少時,Mo6→Mo5+還原峰的位置逐漸向低溫方向轉(zhuǎn)移,說明Mo 含量的減少會導(dǎo)致高價態(tài)的Mo 更容易被還原,即氧化還原性得到了增強,可能是由于含較低含量Mo 的催化劑中Mo5+含量增多使得Mo6+與Mo5+之間的氧化還原循環(huán)更容易及MoOx結(jié)構(gòu)的增多導(dǎo)致了電子離域能力的增強[25],從而使得氧化還原性得到了增強,結(jié)合評價結(jié)果認為,氧化還原性的增強有利于DMM的生成。
表 3 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的XPS-O 1s 譜圖分析Table 3 XPS-O 1s analysis of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
圖7 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的H2-TPR 譜圖Figure 7 H2-TPR profile of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
2.2.6 NH3-TPD 表征
圖8 為含不同Mo 含量催化劑的NH3-TPD 譜圖。由圖8 可知,在NH3-TPD 譜圖中,催化劑顯示有兩個溫度范圍的脫附峰;一個脫附峰位于400?500 ℃,歸屬于中強酸位點,另一脫附峰位于100?250 ℃,歸屬于弱酸性位點。當(dāng)Mo 含量減少時,歸屬于中強酸位的脫附峰向低溫方向移動,弱酸位峰面積增加;當(dāng)Mo 量在催化劑的物質(zhì)的量比少于(或等于)1∶3 時,中強酸消失,并隨著Mo 的量進一步減少,脫附峰逐漸向低溫段移動,并且峰面積隨之減少。這說明隨著Mo 含量的減少,催化劑表面的酸強度逐漸減弱且總酸量也隨之減少。根據(jù)圖6 中不同Mo 含量催化劑的XPS-O 1s擬合結(jié)果及表3 中相應(yīng)的結(jié)果可知,隨著Mo 含量的不斷減少,催化劑中羥基氧的相對數(shù)量不斷增加。這表明,羥基氧的數(shù)量越多其酸性越弱,催化劑表面的酸性與羥基氧有關(guān)。結(jié)合評價結(jié)果及甲醇轉(zhuǎn)化路徑分析發(fā)現(xiàn)[22],較強的酸性使得甲醇脫水為DME 成為主要的轉(zhuǎn)化方式,而適量弱酸性位的存在促使甲醇向生成DMM 的方向而不是MF 的方向轉(zhuǎn)化。其中,Mo2Sn1 催化劑除存在強酸位點之外同時也存在一定的弱酸性位點,該弱酸位與氧化還原性位的共同作用使得該催化劑與Mo1Sn4催化劑具有相近的DMM 選擇性,這進一步說明弱酸性位點是生成DMM 的關(guān)鍵性活性位點之一。
圖8 不同Mo 含量Mo-Sn 催化劑的NH3-TPD 譜圖Figure 8 NH3-TPD profile of Mo-Sn catalysts with different Mo contents
綜合以上表征結(jié)果分析認為,催化劑中鉬結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了催化劑表面性質(zhì)發(fā)生了變化,同時也對甲醇的解離、吸附產(chǎn)生了影響。研究發(fā)現(xiàn),較強的酸性會導(dǎo)致催化劑解離吸附能力的增強,更有利于DME 的產(chǎn)生,抑制了甲醇向DMM 的轉(zhuǎn)化,而氧化還原性位與弱酸性位的共同作用是甲醇高選擇性轉(zhuǎn)化為DMM 的主要原因。
本工作研究了Mo 含量的變化對鉬錫催化劑中Mo 氧化物結(jié)構(gòu)及甲醇氧化性能的影響。結(jié)果顯示,水熱法制備的Mo-Sn 催化劑具有良好的低溫氧化性能,特別是Mo1Sn10 催化劑上,140 ℃、常壓條件下,甲醇轉(zhuǎn)化率為14.2%,DMM 的選擇性高達88.9%,并且在此過程中未有COx的產(chǎn)生。對催化劑的結(jié)構(gòu)表征后發(fā)現(xiàn),Mo 含量的減少,有利于MoOx結(jié)構(gòu)的形成及Mo5+物種相對含量的增加,特別是Mo1Sn20催化劑中,催化劑中Mo5+相對含量達到最高,并且鉬氧化物幾乎全轉(zhuǎn)變?yōu)镸oOx結(jié)構(gòu)。而Mo5+物種和MoOx結(jié)構(gòu)的變化所引起的酸強度的減弱及氧化還原性的增強是催化劑具有良好性能的重要原因。