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ZrO_2晶型对Ni/ZrO_2催化剂顺酐液相加氢性能的影响

作　者: 张颜鑫
导　师: 赵永祥; 张因
学　校: 山西大学
专　业: 物理化学
关键词: m-ZrO2 t-ZrO2 ZrO2晶型 Ni基催化剂顺酐加氢
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

顺酐可由焦化苯或丁烷氧化制得,是世界上除苯酐和醋酐外的第三大酸酐。顺酐分子由互相共轭的1个C=C键与2个C=O键,以及1个C-O-C官能团组成的环状化合物,属于典型的α,β-不饱和羰基化合物。顺酐加氢可生成丁二酸酐、Y-丁内酯、1,4-丁二醇和四氢呋喃等,它们都是高附加值的基本有机化工原料,在石油加工、机械、军工、农药、纺织和塑料工业等领域有广泛的应用。一直以来,如何制备高活性、高选择性的催化剂,实现顺酐下游加氢衍生物的定向合成,是顺酐加氢领域的研究热点。已有的研究工作中几乎都是通过催化剂制备方法调整,以及第二组份引入的方法来改善活性组分的存在形态,如活性组分形貌、尺寸、与载体相互作用以及电子构型等,进而有效地调控催化剂活性与产物选择性,而较少关注载体的影响。以特定晶型结构Zr02为载体的催化剂已在许多反应中表现出优异的催化性能。不同晶型Zr02表面的物理化学性质存在很大差异,对Zr02或以Zr02为载体的催化剂的催化性能有重要影响。目前有关Zr02晶型对催化剂加氢性能影响的研究多集中于小分子CO和CO2加氢反应,在顺酐或其他有机分子的加氢反应中至今未见相关的研究报道。基于此,本论文在课题组前期研究基础上,综合利用低温N2物理吸附、X-射线衍射（XRD）、程序升温还原（H2-TPR）、程序升温脱附（H2-TPD、NH3-TPD）及原位漫反射红外光谱（in-situ DRIFTS）等多种表征手段,深入研究了ZrO2晶型对Ni/ZrO2催化剂表面性质、活性组分存在形态以及其对顺酐加氢性能的影响,提出了顺酐液相加氢中Zr02载体与活性组分Ni的协同作用机制。这对于深刻理解载体对Ni基催化剂顺酐加氢性能的影响规律有重要的理论指导意义,同时,对于开发顺酐催化选择加氢定向合成下游目标产物也有潜在的应用价值。本论文的主要研究内容如下1、分别以四方相ZrO2（t-ZrO2）和单斜相ZrO2（m-ZrO2）为载体,采用浸渍法制备了一系列不同Ni负载量的Ni/m-ZrO2和Ni/t-ZrO2催化剂,并考察了其顺酐液相加氢性能。研究结果表明,Ni/t-ZrO2催化剂表面有较多的配位不饱和Zr4+中心,表现为中强L酸酸性中心,可接受C=O中O原子上的孤对电子,配位不饱和Zr4+中心起到对C=O吸附、活化的作用,促进C=O与Ni原子表面活化的氢原子发生加氢反应生成γ-丁内酯。而Ni/m-ZrO2催化剂表面具有较多的配位不饱和Zr4+₀2-酸碱中心和配位不饱和02-碱性中心,这种配位不饱和Zr4+-O2酸碱中心和配位不饱和02-碱性中心对C=O产生排斥作用,减少了催化剂活性中心Ni与C=O发生碰撞的几率,降低了催化剂对C=O的加氢活性,与Ni/t-ZrO2催化剂相比,γ-丁内酯的选择性明显降低。2、为深入理解ZrO2晶型对Ni基催化剂的顺酐液相加氢性能的影响,本论文进一步研究了在Ni负载量恒定的前提下,热处理过程中Zr02晶型的转变对10%Ni/t-ZrO2催化剂顺酐液相加氢合成γ-丁内酯性能的影响。研究结果表明,当焙烧温度分别为573K和673K的10%Ni/t-Zr02催化剂上载体为t-ZrO2,其Y-丁内酯选择性基本恒定。进一步升高焙烧温度分别至773K和873K时,催化剂的Y-丁内酯选择性由80%分别下降到53%和50%,也就是催化剂的C=O加氢活性显著降低。产生这一现象的原因是由于热处理过程中催化剂表面的t-ZrO2转变为m-Zr02,使得催化剂表面由配位不饱和Zr4+中心逐步演变为配位不饱和Zr4+-02-酸碱中心和配位不饱和02-碱性中心。因此,在相同Ni负载量的条件下,ZrO2晶型的转变对Ni基催化剂的催化性能有较大的影响。

全文目录

中文摘要  9-11
Abstract  11-13
第一章文献综述和选题背景  13-23
  1.1 引言  13-14
  1.2 顺酐加氢研究现状  14-18
    1.2.1 贵金属催化剂  14-15
    1.2.2 Cu基催化剂  15-16
    1.2.3 Ni基催化剂  16-17
    1.2.4 载体对催化剂顺酐加氢性能影响的研究  17-18
  1.3 ZrO_2的结构、性质及其作为载体在催化领域的应用  18-22
    1.3.1 ZrO_2的结构  18-19
    1.3.2 ZrO_2的性质  19-20
    1.3.3 ZrO_2晶型对负载型催化剂催化性能影响的研究  20-22
  1.4 选题依据及研究内容  22-23
第二章论文中使用的试剂及主要测试表征方法  23-27
  2.1 催化剂制备使用的试剂及仪器  23-24
    2.1.1 试剂  23
    2.1.2 仪器  23-24
  2.2 催化剂的表征  24-26
    2.2.1 N_2物理吸附  24
    2.2.2 XRD表征  24
    2.2.3 Py-FTIR表征  24
    2.2.4 H_2-TPR表征  24-25
    2.2.5 NH_3-TPD表征  25
    2.2.6 H_2-TPD表征  25
    2.2.7 原位漫反射红外光谱(in-situ DRIFTS)表征  25
    2.2.8 CO甲烷化探针反应  25-26
    2.2.9 CO-TPSR表征  26
  2.3 顺酐液相加氢反应活性评价  26-27
第三章 ZrO_2晶型对Ni/ZrO_2催化剂顺酐液相加氢性能的影响  27-39
  3.1 引言  27
  3.2 实验部分  27-28
    3.2.1 催化剂的制备  27-28
    3.2.2 催化剂的评价与表征  28
  3.3 结果与讨论  28-37
    3.3.1 催化剂的评价结果  28-29
    3.3.2 催化剂的表征  29-33
    3.3.3 ZrO_2载体表面性质的分析  33-37
  3.4 本章小结  37-39
第四章热处理过程中ZrO_2载体晶型演变及对10%Ni/t-ZrO_2催化剂顺酐液相加氢性能的影响  39-45
  4.1 引言  39
  4.2 实验部分  39
    4.2.1 催化剂的制备  39
    4.2.2 催化剂的评价  39
  4.3 结果与讨论  39-44
    4.3.1 催化剂的评价结果  39-40
    4.3.2 催化剂的表征  40-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章总结与展望  45-47
  5.1 引言  45
  5.2 工作总结  45
  5.3 本论文的创新点  45-46
  5.4 后续工作设想  46-47
参考文献  47-55
攻读硕士学位期间取得的研究成果  55-57
致谢  57-58
个人简况及联系方式  58-60

ZrO_2晶型对Ni/ZrO_2催化剂顺酐液相加氢性能的影响

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