整体式硼基催化剂的制备及其在丙烷氧化脱氢中的应用

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丙烷氧化脱氢(ODHP)制丙烯是一种具有广阔前景的丙烯生产技术,具有不受热力学平衡限制、抗积碳性能优异而且能耗低等优点。硼基催化剂是一种新兴的非金属丙烷氧化脱氢催化剂,与传统金属基催化剂相比,它具有优异的活性和烯烃选择性,能有效抑制过度氧化反应。丙烷氧化脱氢反应放热强烈,整体式催化剂具有低压降及好的传质和传热性能,能够解决粉末催化剂所会面临的催化剂床层压降大、传质和传热阻力大等问题。本论文以堇青石蜂窝陶瓷为载体,通过浸渍涂覆的方法,制备了整体式氧化硼催化剂,并将其应用于丙烷氧化脱氢反应,通过探索催化剂的制备条件、反应条件,筛选出适用于高空速下运行且催化性能优异的整体式硼基催化剂。本论文首先制备了氧化硼/堇青石催化剂(CHC@B2O3),并探究了其在丙烷氧化脱氢反应中的性能。对于CHC@B2O3催化剂,在505oC时丙烷转化率为22.2%,丙烯选择性为81.8%。500oC下催化剂的丙烷转化率和烯烃选择性保持稳定,但运行20 h后活性组分质量流失达到10%,推测主要原因是氧化硼熔点低,而且与堇青石基底相互作用较弱。针对氧化硼组分流失问题,采用添加氧化硅作为锚定物种的策略,通过先涂覆二氧化硅随后再涂覆氧化硼的方法制备了氧化硼-氧化硅/堇青石催化剂(CHC@SiO2-B2O3)。活性测试结果表明,催化剂仍然保持优异的性能。经稳定性测试发现,反应20 h后丙烷转化率和产物选择性保持稳定,反应后活性组分无流失。在高空速下(345,600 mLg-B2O31h-1),催化剂仍然保持优异的性能,535oC下丙烷转化率16.9%,烯烃选择性97.2%,CO2选择性仅为0.1%。这是由于整体式催化剂发达的直通孔道和较高的气相/表面比增强了反应过程的传质、传热,使其能在高空速下高效运行。另外,通过及时带走反应产生的热量并且减少停留时间,提高了烯烃的选择性,抑制了过度氧化的发生。
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