论文摘要
二氧化碳催化加氢直接合成二甲醚既可以利用二氧化碳制得有用的化学品,又可以解决二氧化碳的环境污染问题,对于保证经济的高速发展和实现长期可持续发展战略均具有重要意义。CO2加氢合成二甲醚的双功能催化剂由甲醇合成和甲醇脱水组分复合组成,只有当两种活性组分“协同催化”时,方能充分发挥催化剂的整体功能。本文以铜锰基甲醇合成催化剂和HZSM-5分子筛甲醇脱水催化剂所构成的双功能复合催化剂作为主要研究对象,利用XRD、BET、H2-TPR、SEM、H2-TPD、NH3-TPD、XPS和加压固定床活性评价等多种研究方法系统地考察了下列诸因素对复合催化剂结构和性能的影响:甲醇合成催化剂制备过程中的沉淀温度、PH值、铜/锰比例;甲醇合成催化剂和HZSM-5的复合方法及焙烧温度;对甲醇合成催化剂的助剂改性处理。通过研究主要得出以下结果:在机械法制备的Cu-Mn/HZSM-5催化剂基础上,考察了共沉淀温度、PH值、不同铜锰比和焙烧温度对催化剂催化加氢性能的影响。结果表明:在2.0MPa、250℃、空速2100h-1、n（H2）/n（CO2）=3.2的反应条件下,n（Cu）/n（Mn）=4/3、焙烧温度为350℃,共沉淀温度为70℃和pH值为7-8时,CO2的加氢活性及二甲醚的选择性均最好。其CO2转化率为21.83%,二甲醚的收率可达6.68%。助剂SiO2的加入能显著提高Cu-Mn/HZSM-5催化剂的性能,在2.0MPa、250℃、空速2100h-1;V（H2）/V（CO2）=3.2下,当催化剂中W（SiO2）=3.49%时,二氧化碳的转化率和二甲醚的收率分别为23.86%和9.33%。XRD和H2-TPR表明,适量SiO2的加入,使CuO晶相峰明显减弱,促进表面Cu的分散;铜锰复合氧化物进一步向非晶态转化,阻止Cu的深度还原,从而提高了催化剂的活性。XPS结果表明,活性组分铜以Cu+形态存在,支持Cu+物种是甲醇合成活性中心的观点。在共沉积法制备的Cu-Mn-Si/HZSM-5上,对温度、压力、空速和氢碳摩尔比等反应操作条件的考察结果显示,当温度260℃、压力2.0MPa、空速2100h-1,氢碳摩尔比3.2时,催化剂具有较好的活性和选择性,CO2转化率26.03%,DME的选择性和收率分别为42.42%和11.04%。研究还表明,提高反应温度有利于提高CO2转化率,但使二甲醚的选择性降低;增大压力和氢碳比有利于提高CO2转化率和二甲醚的选择性;增大空速会使CO2转化率和二甲醚选择性均呈现下降趋势。焙烧温度对共沉积法制备的Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化性能影响研究表明:焙烧温度过高、过低均不利于CO2加氢。当焙烧温度在400℃时,在反应过程会有更多Cu+存在。而焙烧温度超过400℃时,峰形发生了质的变化,晶相CuO颗粒变大,催化剂的活性明显下降。CO2-TPD结果表明,中强CO2吸附中心与CO2加氢合成二甲醚有关。在考察的范围内,最适宜的焙烧温度为400℃。为了进一步研究催化剂的表面活性中心物种,在共沉积法基础上采用超声波处理,来考察超声波处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化加氢活性的影响,并与以上两种制备方法相比较。结果表明:经过超声处理后,更有利于Cu+和Mn3+生成和稳定,促进Cu+与Mn3+之间相互协同作用,在一定程度上增强了中强的CO2吸附中心,提高催化剂表面的加氢能力,使催化剂表面酸强度和强酸位中心数的增加,有利于甲醇脱水生成二甲醚反应的进行,从而促进了催化剂整体催化活性的提高。本文认为Cu+和Mn3+共同构成了Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的活性中心。
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摘要Abstract第一章 文献综述1.1 二氧化碳的减排和开发利用1.2 二甲醚的性质和用途1.2.1 二甲醚的性质1.2.2 二甲醚的用途1.3 二氧化碳加氢合成二甲醚研究动态1.3.1 二氧化碳加氢合成二甲醚的热力学研究1.3.2 二氧化碳加氢合成二甲醚的反应机理和活性中心研究1.3.3 二氧化碳加氢合成二甲醚的动力学研究1.3.4 二氧化碳加氢合成二甲醚的催化剂研究进展1.4 锰在合成甲醇、二甲醚和低碳烃的催化剂领域中的应用1.5 选题依据和研究内容1.5.1 选题依据1.5.2 研究内容第二章 实验部分2.1 实验原料与设备装置2.1.1 实验气体2.1.2 试剂2.1.3 仪器装置2.2 催化剂的制备2.2.1 机械法制备Cu-Mn/HZSM-5催化剂2.2.2 机械法制备Cu-Mn-X/HZSM-5催化剂2.2.3 共沉积法制备Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂2.2.4 超声共沉积法制备Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂2.3 催化剂的活性评价2.3.1 活性评价装置2.3.2 实验装置操作流程2.3.3 催化剂还原条件2.3.4 实验分析系统2.3.5 活性评价数据处理2.4 催化剂催化性能的表征2-TPR）'>2.4.1 氢气程序升温还原实验（H2-TPR）2脱附实验（H2-TPD）'>2.4.2 程序升温H2脱附实验（H2-TPD）3脱附(（NH3-TPD）'>2.4.3 程序升温NH3脱附(（NH3-TPD）2脱附（CO2-TPD）'>2.4.4 程序升温CO2脱附（CO2-TPD）2.4.5 比表面积测定（BET）2.4.6 物相组成测定（XRD）2.4.7 表面元素价态和组成（XPS）2.4.8 扫描电镜（SEM）第三章 Cu-Mn/HZSM-5催化剂合成二甲醚的性能研究3.1 制备条件对Cu-Mn/HZSM-5催化剂活性的影响3.1.1 共沉淀温度对Cu-Mn/HZSM-5催化剂活性的影响3.1.2 pH值对Cu-Mn/HZSM-5催化剂活性的影响3.2 Cu/Mn摩尔比对Cu-Mn/HZSM-5催化性能的影响3.2.1 Cu/Mn摩尔比对Cu-Mn/HZSM-5催化活性的影响3.2.2 不同Cu/Mn摩尔比的Cu-Mn/HZSM-5的BET分析3.2.3 不同Cu/Mn摩尔比对Cu-Mn/HZSM-5催化剂物相结构的影响3.2.4 不同Cu/Mn摩尔比对Cu-Mn/HZSM-5催化还原性能的影响3.2.5 Mn助剂对Cu-Mn/HZSM-5催化吸附性能的影响3.3 焙烧温度对Cu-Mn/HZSM-5催化性能的影响3.3.1 焙烧温度对Cu-Mn/HZSM-5催化活性的影响3.3.2 焙烧温度对Cu-Mn/HZSM-5催化剂的物相结构的影响3.3.3 焙烧温度对Cu-Mn/HZSM-5催化剂的还原性能影响3.4 Cu-Mn/HZSM-5催化剂的加氢活性中心3.5 几种助剂对Cu-Mn/HZSM-5催化剂性能的影响3.5.1 助剂对Cu-Mn/HZSM-5催化剂催化活性的影响3.5.2 助剂对Cu-Mn/HZSM-5催化剂晶相结构的影响3.5.3 助剂对Cu-Mn/HZSM-5催化剂还原性能的影响本章小结第四章 Cu.Mn.Si/HZSM-5催化加氢合成二甲醚的研究2含量对Cu-Mn/HZSM-5催化剂的催化性能的影响'>4.1 SiO2含量对Cu-Mn/HZSM-5催化剂的催化性能的影响2含量对催化剂的催化活性的影响'>4.1.1 SiO2含量对催化剂的催化活性的影响2含量对催化剂的物相结构的影响'>4.1.2 SiO2含量对催化剂的物相结构的影响2含量对催化剂的还原性能的影响'>4.1.3 SiO2含量对催化剂的还原性能的影响2对催化剂的热稳定性影响'>4.1.4 SiO2对催化剂的热稳定性影响2对催化剂的表面价态的影响'>4.1.5 助剂SiO2对催化剂的表面价态的影响4.2 焙烧温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化性能影响4.2.1 焙烧温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性影响4.2.2 焙烧温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂物相结构的影响4.2.3 焙烧温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂还原性能的影响4.2.4 焙烧温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂吸附性能的影响4.3 操作条件对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性的影响4.3.1 反应温度对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性影响4.3.2 压力对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性影响4.3.3 氢碳比对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性影响4.3.4 空速对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性影响4.4 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化性能的影响4.4.1 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的催化活性的影响4.4.2 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的物相结构的影响4.4.3 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的还原性能的影响4.4.4 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的吸附性能的影响4.4.5 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂的脱附性能的影响4.4.6 超声处理对Cu-Mn-Si/HZSM-5催化剂表面价态的影响本章小结第五章 结论与建议5.1 结论5.2 建议参考文献致谢硕士在读期间发表的论文
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