介孔二氧化硅负载高分散钒催化剂的制备及乙烷选择氧化性能

doi:10.7503/cjcu20220532

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 20220532.doi: 10.7503/cjcu20220532

介孔二氧化硅负载高分散钒催化剂的制备及乙烷选择氧化性能

宋佳欣¹^,², 崔静¹, 范晓强¹(), 孔莲¹, 肖霞¹, 解则安¹, 赵震¹^,²()

^1.沈阳师范大学化学化工学院, 能源与环境催化研究所, 沈阳 110034
^2.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室, 北京 102249

收稿日期:2022-08-12 出版日期:2023-02-10 发布日期:2022-09-26
通讯作者: 范晓强,赵震 E-mail:fanxiaoqiang1986@126.com;zhaozhen1586@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(91845201);辽宁省教育厅科学研究经费项目(LQN202009);沈阳师范大学优秀人才基金和沈阳师范大学重大项目孵化工程项目(ZD201901)

Preparation of Mesoporous Silica Supported Highly Dispersed Vanadium Catalyst and Their Catalytic Performance for Selective Oxidation of Ethane

SONG Jiaxin¹^,², CUI Jing¹, FAN Xiaoqiang¹(), KONG Lian¹, XIAO Xia¹, XIE Zean¹, ZHAO Zhen¹^,²()

^1.Institute of Catalysis for Energy and Environment，College of Chemistry and Chemical Engineering，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China
^2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing 102249，China

Received:2022-08-12 Online:2023-02-10 Published:2022-09-26
Contact: FAN Xiaoqiang, ZHAO Zhen E-mail:fanxiaoqiang1986@126.com;zhaozhen1586@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(91845201);the Scientific Research Project of Education Office of Liaoning Province,China(LQN202009);the Program for Excellent Talents in Shenyang Normal University,China and the Major Incubation Program of Shenyang Normal University,China(ZD201901)

摘要/Abstract

摘要：

以高比表面积的介孔二氧化硅为载体, 采用等体积浸渍法制备了一系列介孔二氧化硅负载钒催化剂, 并探究了其乙烷选择氧化反应性能. 利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)等方法对催化剂的物化性质进行了表征, 研究了钒负载量对催化剂结构特征的影响. 结果表明，随着钒负载量的增加, 钒物种在催化剂表面的存在形式由高分散低聚的VO _x 转变为高聚的VO _x, 其中高分散钒物种有利于提高目标产物乙烯和乙醛的选择性.

关键词: 钒基催化剂, 高分散活性位, 乙烷, 选择氧化, 乙烯和乙醛

Abstract:

A series of mesoporous silica supported vanadium catalysts was prepared by incipient-wetness impregnation method using porous silica with high specific surface area as support. And the catalytic performances were tested for the selective oxidation of ethane. The catalysts were characterized by X-ray diffraction（XRD）， ultraviolet-visible diffuse reflectance spectrum（UV-Vis DRS） and H₂-temperature programmed reduction（H₂-TPR）. The effects of vanadium loadings on the structure of the catalyst were investigated. It was found that the vanadium species on the surface of the catalysts changed from highly dispersed oligomeric VO _x to highly polymerized VO _x with the increase of vanadium loading. The highly dispersed vanadium species can improve the selectivity of ethene and acetaldehyde.

Key words: Vanadium based catalyst, Highly dispersed active site, Ethane, Selective oxidation, Ethene and acetaldehyde

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

宋佳欣, 崔静, 范晓强, 孔莲, 肖霞, 解则安, 赵震. 介孔二氧化硅负载高分散钒催化剂的制备及乙烷选择氧化性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220532.

SONG Jiaxin, CUI Jing, FAN Xiaoqiang, KONG Lian, XIAO Xia, XIE Zean, ZHAO Zhen. Preparation of Mesoporous Silica Supported Highly Dispersed Vanadium Catalyst and Their Catalytic Performance for Selective Oxidation of Ethane. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220532.

图/表 11

Fig.1 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of SiO2 and xV/SiO2 samplesa. SiO2； b. 0.5V/SiO2； c. 1.0V/SiO2； d. 1.5V/SiO2； e. 2.0V/SiO2； f. 5.0V/SiO2.

Table 1 Textural properties of xV/SiO2 samples

Sample	S_BET^a /（m²·g^‒1）	V_t^b /（cm³·g^‒1）	d_BJH^c /nm
SiO₂	1082.1	1.04	4.1
0.5V/SiO₂	1070.5	0.98	4.0
1.0V/SiO₂	1071.5	1.00	4.1
1.5V/SiO₂	1049.8	0.97	4.0
2.0V/SiO₂	1056.6	1.00	3.9
5.0V/SiO₂	937.0	0.92	3.9

Fig.2 XRD patterns of SiO2 and xV/SiO2 samplesa. SiO2； b. 0.5V/SiO2； c. 1.0V/SiO2； d. 1.5V/SiO2；e. 2.0V/SiO2； f. 5.0V/SiO2.

Fig.3 UV⁃Vis DRS of SiO2 and xV/SiO2 samplesa. SiO2； b. 0.5V/SiO2； c. 1.0V/SiO2； d. 1.5V/SiO2；e. 2.0V/SiO2； f. 5.0V/SiO2.

Fig.4 H2⁃TPR profiles of xV/SiO2 samplesa. 0.5V/SiO2； b. 1.0V/SiO2； c. 1.5V/SiO2；d. 2.0V/SiO2； e. 5.0V/SiO2.

Fig.5 Repeatability error diagram of ethane catalytic performance evaluated over 0.5V/SiO2 catalyst

Fig.6 Ethane conversion as a function of reaction temperature over xV/SiO2 samples

Fig.7 Ethene selectivity(A) and yield(B) as a function of reaction temperature over xV/SiO2 samples

Fig.8 Ethene and acetaldehyde selectivity(A) and yield(B) as a function of reaction temperature over xV/SiO2 samples

Fig.9 Schematic diagram explaining the relationship between catalyst structure and properties

Fig.10 Ethane conversion and product(ethene, acetaldehyde and CO x ) selectivity as a function of xV/SiO2 catalysts（A） mcat =0. 3 g， V（C2H6）∶V（O2）∶V（N2）=2∶1∶12， inlet flow=30 mL/min， t=575 ℃， and effect of contact time on selective oxidation of ethane over 2.0V/SiO2 catalyst；（B） V（C2H6）∶V（O2）∶V（N2）=2∶1∶12， t =575 ℃.

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介孔二氧化硅负载高分散钒催化剂的制备及乙烷选择氧化性能

Preparation of Mesoporous Silica Supported Highly Dispersed Vanadium Catalyst and Their Catalytic Performance for Selective Oxidation of Ethane

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