钒钛催化剂的表面修饰及其催化甲醇选择性氧化合成甲酸甲酯的研究

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甲酸甲酯(MF)是C1化学的重要中间体,可用于生产甲酸、甲酰胺、二甲基甲酰胺等化学品,还可作为汽油添加剂替代MTBE。目前,工业上主要采用甲醇液相羰基化法和催化脱氢法合成MF,但这两种方法存在一些缺陷,例如,甲醇液相羰基化法使用甲醇钠催化剂,对原料气体CO的纯度要求严格,而催化脱氢法受热力学平衡的限制,甲醇转化率较低。甲醇选择氧化制备MF则在热力学上非常有利,被视为一种更加环保和经济的MF合成途径。本论文在先前甲醇选择氧化合成甲缩醛的研究基础上,通过添加不同的助剂对钒钛催化剂进行表面修饰,改变其表面结构以及表面酸碱性和氧化-还原性,考察其在甲醇选择氧化制备MF的反应中的催化性能。  以下是本论文的主要内容与结果:  (1)以TiO2(Degussa P25)为载体,采用浸渍法制备了V2O5/TiO2,并用硫酸进行修饰,然后再以硝酸钙、硝酸银、磷酸、SiO2等修饰经硫酸修饰过的V2O5/TiO2,得到一系列具有介孔结构的复合催化剂,用于甲醇氧化反应。结果表明,硫酸修饰可以提高V2O5/TiO2催化剂的活性,这可能与催化剂表面酸性增强有关。而在硫酸修饰过的V2O5/TiO2中分别添加Ca、Ag、P、Si等助剂后,催化剂的活性均有不同程度的降低,添加P和Ca后的活性下降更多。同时,提高Ca、P、Si组分的含量使催化剂的活性进一步下降,而提高Ag组分含量则活性变化不明显。在MF的选择性方面,Ca、Ag、P、Si等助剂的引入均使得MF的选择性降低,下降程度与助剂的种类、含量以及反应温度有关。此外,反应温度较高(473K)时,添加Ag、Si组分的催化剂上的产物中碳氧化合物(COx)的含量显著增加。  (2)采用水热法制备了高比表面积的TiO2纳米管(TNT, SBET=300 m2/g),并用作载体,按浸渍法制得钒钛催化剂VTNT。以磷酸修饰VTNT得到一系列钒钛磷复合催化剂x%P-VTNT(x=0.25~5),用于甲醇的选择氧化反应。异丙醇探针反应表明,添加的磷酸组分增强了催化剂的表面酸性,并且覆盖了表面钒氧物种的氧化-还原中心,降低了催化剂的氧化还原性能。相应地,在甲醇选择氧化反应中,磷酸修饰过的催化剂上的甲醇转化率和MF选择性均有所降低。
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