甲烷低溫氧化催化劑制備及其性能研究

【摘要】： 將天然氣資源中的主要成分甲烷轉(zhuǎn)化為液體燃料甲醇是能源化工領(lǐng)域的重要化學(xué)反應(yīng)。本文以探討甲烷低溫氧化催化劑為研究目的,采用離子交換法制備了Cu/ZSM-5,Cu-Au/ZSM-5催化劑,、利用ICP,XRD,XPS等手段表征其結(jié)構(gòu)組成,研究了該催化劑在甲烷低溫氧化反應(yīng)中的催化性能。 1、以ZSM-5分子篩為載體,制備了Cu/ZSM-5催化劑。該催化劑的銅負(fù)載量為2.13%,其中銅組分以氧化銅狀態(tài)均勻分散于分子篩載體上,金屬顆粒的平均粒徑為3.6 nm。以Cu/ZSM-5為催化劑,以含2%(V/V)甲烷的空氣混合物為反應(yīng)物,甲烷可在反應(yīng)溫度低至60℃時(shí)進(jìn)行氧化反應(yīng)。在60-150℃及10-20bar反應(yīng)條件下,甲烷可高選擇性(100%)轉(zhuǎn)化為甲醇。在150℃,20bar,反應(yīng)時(shí)間為3h,催化劑用量為0.1g的反應(yīng)條件下,甲烷的轉(zhuǎn)化率為31%,甲醇的選擇性為100%。 2、以ZSM-5分子篩為載體,制備了金摻雜的Cu-Au/ZSM-5催化劑。其中銅和金的負(fù)載量分別為1.92%和0.11%。催化劑中銅以低價(jià)氧化態(tài)形式存在,金以三價(jià)態(tài)存在。金屬組分均勻分散于載體表面,金屬顆粒平均粒徑為6.5 nm。金的摻雜不僅對(duì)催化劑中銅的氧化態(tài)有影響作用,而且使催化反應(yīng)保持甲醇高選擇性同時(shí),甲烷氧化的轉(zhuǎn)化率明顯提高。在150℃、20bar反應(yīng)條件下,甲醇的選擇性和產(chǎn)率分別為100%和43%。此外,對(duì)金的摻雜作用進(jìn)行了初步的探討。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 低溫氧化 氧化銅 金 甲醇 納米催化
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 文獻(xiàn)綜述12-14
• 1.1.1 天然氣的轉(zhuǎn)化與利用12-13
• 1.1.2 國(guó)內(nèi)外甲醇的生產(chǎn)消費(fèi)及發(fā)展前景13-14
• 1.2 甲烷氣固相部分氧化研究14-20
• 1.2.1 氧化反應(yīng)14-15
• 1.2.2 催化機(jī)理15-17
• 1.2.3 過(guò)渡金屬氧化物催化劑17-18
• 1.2.4 沸石催化劑18-19
• 1.2.5 其他催化劑19
• 1.2.6 甲烷氣固相部分氧化反應(yīng)的工藝條件和反應(yīng)器形式研究19-20
• 1.3 沸石分子篩20-23
• 1.4 銅的催化作用23-24
• 1.5 金的催化作用24-26
• 1.5.1 CO的氧化25
• 1.5.2 丁烯醛選擇加氫25-26
• 1.5.3 水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)26
• 1.5.4 NO_X的還原26
• 1.6 催化劑制備理論26-28
• 1.6.1 載體的選擇和處理27
• 1.6.2 浸漬液的選擇27
• 1.6.3 浸漬過(guò)程的影響因素27-28
• 1.6.3.1 浸漬時(shí)間的影響28
• 1.6.3.2 浸漬液濃度的影響28
• 1.6.3.3 催化劑的干燥和焙燒28
• 1.7 本文研究目的及內(nèi)容28-30
• 1.7.1 研究目的28-29
• 1.7.2 研究?jī)?nèi)容29-30
• 第二章 Cu/ZSM-5催化劑的制備及催化性能研究30-42
• 2.1 引言30-31
• 2.2 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器31
• 2.3 催化劑的制備31-32
• 2.3.1 ZSM-5分子篩的預(yù)處理31-32
• 2.3.2 Cu/ZSM-5分子篩催化劑的制備32
• 2.4 結(jié)構(gòu)表征32-33
• 2.4.1 透射電鏡(TEM)32
• 2.4.2 電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)32
• 2.4.3 X射線衍射儀(XRD)32-33
• 2.4.4 X光電子能譜儀(XPS)33
• 2.5 甲烷催化氧化反應(yīng)33
• 2.6 結(jié)果與討論33-40
• 2.6.1 Cu/ZSM-5催化劑的TEM分析33-35
• 2.6.2 電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)分析35
• 2.6.3 X射線衍射儀(XRD)分析35-36
• 2.6.4 X光電子能譜儀(XPS)分析36-37
• 2.6.5 反應(yīng)溫度對(duì)催化反應(yīng)的影響37-38
• 2.6.6 反應(yīng)壓力對(duì)催化反應(yīng)的影響38-39
• 2.6.7 催化劑用量對(duì)催化反應(yīng)的影響39
• 2.6.8 反應(yīng)機(jī)理分析39-40
• 2.7 小結(jié)40-42
• 第三章 Cu-Au/ZSM-5催化劑的制備及催化性能研究42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器42-43
• 3.3 Cu-Au/ZSM-5催化劑制備43
• 3.3.1 ZSM-5分子篩的預(yù)處理43
• 3.3.2 Cu-Au/ZSM-5分子篩催化劑的合成43
• 3.4 Cu-Au/ZSM-5催化劑結(jié)構(gòu)表征43-44
• 3.4.1 透射電鏡(TEM)43-44
• 3.4.2 電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)44
• 3.4.3 X射線衍射儀(XRD)44
• 3.4.4 X光電子能譜儀(XPS)44
• 3.5 甲烷催化氧化反應(yīng)44-45
• 3.6 結(jié)果與討論45-53
• 3.6.1 Cu-Au/ZSM-5分子篩催化劑顆粒的TEM分析45-46
• 3.6.2 電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)分析46-47
• 3.6.3 X射線衍射儀(XRD)分析47
• 3.6.4 X光電子能譜儀(XPS)分析47-49
• 3.6.5 反應(yīng)溫度對(duì)催化反應(yīng)的影響49-50
• 3.6.6 反應(yīng)壓力對(duì)催化反應(yīng)的影響50-51
• 3.6.7 催化劑用量對(duì)催化反應(yīng)的影響51-52
• 3.6.8 反應(yīng)機(jī)理分析52-53
• 3.7 小結(jié)53-54
• 第四章 結(jié)論54-56
• 參考文獻(xiàn)56-62
• 致謝62-63
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文63

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