文献类型：学位论文

中文题名：基于含Si材料的甲烷无氧脱氢偶联制乙烯反应催化剂研究

作者：宋晗[1];

机构：[1]华东理工大学;

导师：郭杨龙;华东理工大学|谢在库;华东理工大学

授予学位：硕士

语种：中文

中文关键词：含Si材料;甲烷无氧脱氢;偶联反应;催化性能;甲烷活化;乙烯产率

摘要：甲烷无氧脱氢偶联制乙烯反应是在无氧条件下将甲烷转化为乙烯和氢气的反应，作为一种新型的反应路线，成为近期研究热点。本文系统研究了甲烷无氧脱氢偶联制乙烯反应中催化剂的结构性质与反应中间体的转化途径选择及产物分布的构效关系，旨在以此为理论基础提高甲烷直接转化制化学品过程的生产效率。<br>　　本研究首先考察了不同含Si材料对甲烷无氧脱氢偶联反应的催化性能，结果表明含Si材料对甲烷拥有良好的活化能力，且甲烷活化中间体的后续转化均以表面转化反应路径为主。综合考量各种含Si材料对甲烷的活化能力及结构稳定性，本研究选用性能较优的α-SiC作为催化剂载体，并系统考察了Fe物种的修饰作用。采用不同制备与处理方法，制备了Fe/α-SiC(O2)、Fe/α-SiC(NH3)、Fe/α-SiC(Ar)催化剂，并考察其催化性能，发现与未经修饰的α-SiC载体相比，Fe/α-SiC(O2)、Fe/α-SiC(NH3)催化剂的甲烷活化能力并未表现出积极影响，而Fe/α-SiC(Ar)催化剂则明显提升了α-SiC对甲烷的活化能力。进一步比较各催化剂的反应产物分布可知，Fe/α-SiC(Ar)催化剂中C-Fe-Si结构可有效削弱催化剂对甲烷活化脱氢产物甲基中间体的吸附能力，从而提高甲基自由基的气相扩散及转化、抑制表面转化路径。优化了Fe2O3的投料量，在最优Fe投料量6 wt.％下，催化剂不仅表现出了最强的活性，同时具有较高的乙烯产率和抗积碳能力。<br>　　本研究运用XPS、XANES和Raman等技术手段，表征了α-SiC、Fe2O3+α-SiC催化剂、Fe/α-SiC(Ar)催化剂催化剂的结构信息。在本研究催化剂的高温熔融处理过程中，载体SiC发生Si-C键断裂及表面重构，在此过程中Fe被表面重构形成的SiC物种覆盖并与其发生强相互作用，从而对催化剂表面性质产生调变效应。结合催化剂活性评价结果，发现Fe与Si和C发生强相互作用后，从而提高催化剂的催化活性。通过往反应体系中通入中间产物，表明甲烷无氧转化反应中严重的积炭行为来自于乙烯和丙烯等产物及中间体的二次反应;C3中间体是反应芳烃生成的关键。对此，在今后的研究工作中，可通过弱化乙烷脱氢路径、强化丙烷转化路径，实现积炭的抑制、提高轻烃和芳香烃选择性的研究目标。