甲烷部分氧化制备合成丙醛原料气催化剂及工艺研究

甲烷的催化活化利用对化学工业的可持续发展有重要意义。本项目在前期工作的基础上，以对甲烷氧化偶联反应性能优异的Mn-NaWO4/SiO2体系为基础，引入Ce、Co、Cr、La等助剂，通过制备条件、催化剂组成等控制，研究制备双功能或多功能催化剂，进一步提高甲烷部分氧化同时制备乙烯与合成气（合成丙醛原料）过程甲烷的利用率和过程效率。采用Cr、Ni、Mo等为主催化剂组分，研究制备二氧化碳氧化乙烷制备乙烯的催化剂及相应的过程。以实现甲烷部分氧化流出物循环利用为目标，优化两反应过程的偶合，研究催化剂形态、催化床层设计、反应条件等对甲烷、乙烷的活化和共活化的影响规律；采用化学吸附、XRD、XPS等方法对催化剂进行表征，研究催化剂结构与性能的关系、催化剂性能与过程控制的关系、过程偶合与过程效率间的关系。以期为甲烷部分氧化、进而实现高值化利用提供工程理论基础和技术支撑，在理论和工业应用上均有重要意义。

甲烷的催化活化利用和有效对化学工业的可持续发展有重要意义。本项目将新催化剂研究与催化过程研究有机结合和有效集成，采用单层催化剂床和双层催化剂床等方法，以优化利用甲烷氧化偶联反应体系。通过催化剂制备条件、催化剂组成等控制等，研究制备了双功能或多功能催化剂，进一步提高甲烷部分氧化同时制备乙烯与合成气（合成丙醛原料）过程甲烷的利用率和过程效率。在单层催化剂床中，研究制备了二氧化碳氧化乙烷制备乙烯的催化剂，采用Mn和Ni等为主催化剂组分，引入Co助剂制备了Na2WO4/Co-Mn/SiO2催化剂，引入La助剂制备了Ni-La/SiO2催化剂，采用溶胶-凝胶法制备纳米NiO催化剂；研究制备了二氧化碳重整甲烷的催化剂，引入La、Mg、Co、Mn、Zr、Al、Cu和Zn等助剂制备了Ni-La/SiO2、Ni-Mg /SiO2、Ni-Co /SiO2、Ni-Mn/SiO2、Ni-Zr/SiO2、Ni- Al /SiO2、Ni-Cu/SiO2和Ni-Zn/SiO2等催化剂。在双层催化剂床中，通过工艺过程和催化剂相结合，以Na2WO4/Mn/SiO2和Co-La/SiO2为催化剂或者以Na2WO4/Mn/SiO2和Ga/HZSM-5为催化剂，促进了甲烷的重整和氧化偶联反应。为甲烷部分氧化流出物的循环利用奠定了较好基础，优化了两反应过程的偶合，获得了催化剂形态、催化床层设计、反应条件等对甲烷、乙烷的活化和共活化的影响规律；采用化学吸附、XRD、XPS等方法对催化剂进行表征，研究了催化剂结构与性能的关系、催化剂性能与过程控制的关系、过程偶合与过程效率间的关系。另外，采用高精度的量子化学方法获得了PdO、RhO+、和Rh/γ-Al2O3模型催化剂上甲烷的活化机理，以及Pt原子、Ptn (n=2,6)团簇分别活化乙烷、丙烷和丁烷的反应机理。理论计算所得到的相关物种的红外振动频率数据可为实验研究中相关新物种的光谱认证提供有力帮助。该项目成果可为甲烷部分氧化、进而实现高值化利用提供工程理论基础和技术支撑，在理论和工业应用上均有重要意义。