多组分复合氧化物对异丁烯制甲基丙烯醛氧化反应的催化性能研究
甲基丙烯酸甲酯(MMA)是合成有机玻璃及MBS树脂的单体。我国MMA的生产以丙酮氰醇法(ACH法)为主，合成路线复杂，工艺流程长，经过多步反应后产率低、成本高。该方法采用有剧毒的氢氰酸为原料，产生大量难于处理的废酸，所消耗的浓硫酸对设备腐蚀性大，对环境污染严重，因此开发新的MMA工艺路线很有必要。
近年来，很多国家采用异丁烯为原料来生产MMA并已实现工业化。这是一种绿色化工生产路线，原料利用率高，推广应用后能获得较大的经济效益和社会效益。异丁烯选择性氧化制备甲基丙烯醛是以异丁烯为原料制备MMA的关键步骤之一，研究异丁烯氧化法制MAL催化剂的制备和性质对于提高异丁烯转化率和生成甲基丙烯醛的选择性具有决定性的作用。
本文在具有白钨矿结构的BiVO4基础上用高价钼(Mo6+)取代钒(V5+)，探讨复合氧化物Bi1-x/3V1-xMoxO4(0≤x≤1)催化剂体系及掺杂不同稀土元素作为助剂在异丁烯氧化制取甲基丙烯醛反应中的催化性能。用共沉淀法制备了Bi1-x/3V1-xMoxO4(0≤x≤1)复合氧化物催化剂和用稀土元素取代Bi素之后的(Bi+Ln)-V-Mo-O催化剂。催化剂的评选在固定床反应器中进行，考查了反应温度、异丁烯浓度、原料气的流速、不同的镧系氧化物及同种镧系氧化物不同添加量对异丁烯转化率和生成甲基丙烯醛选择性的影响。筛选出活性较高的催化剂，并用红外光谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱等技术对催化剂进行了表征。探讨了异丁烯氧化制取甲基丙烯醛的反应机理，找出了催化剂的反应性能与结构的关系，为改进催化剂提供了理论依据。
实验表明：在异丁烯选择氧化制甲基丙烯醛的Bi1-x/3V1-xMoxO4(0≤x≤1)复合氧化物催化剂中，催化剂组成为x=0.45时即Bi0.85V0.55Mo0.45O4催化剂的催化性能最好，MAL的选择性达73.6％。在Bi0.85V0.55Mo0.45O4中用适量的稀土元素Ln取代Bi元素，有利于催化剂活性位点的活化和再生，可提高异丁烯的转化率和生成MAL的选择性。异丁烯转化率、生成甲基丙烯醛的选择性并不是随着镧系元素原子序数的增加单调上升或单调下降，而是呈现锯齿型的变化。其中又以掺入氧化钐的效果最佳，当Sm/(Bi+Sm)×100％=10％(物质的量分数)时，异丁烯的转化率为78.1％，MAL的选择性可达83.5％。
催化剂的表征表明：在Bi0.85Mo0.45V0.55O4三元复合氧化物中，由于Mo6+部分取代V5+，体系中形成了Bi位阳离子空位，Mo6+处于氧四面体环境中，形成选择氧化性基团Mo=O双键，并且由于较强的Bi-O-V键的协调作用，使其表现出良好的催化性能。用稀土元素取代Bi元素，由于稀土离子和Bi3+的电荷相同且离子半径相近，在掺杂量较低时(＜25％)，稀土元素只是占据了Bi原来所处的氧八面体环境，而并没有改变催化剂原来的物相。我们对催化剂的催化机理以及结构与催化性能之间关系进行了探讨，认为稀土离子的电负性较小，它在反应中产生的晶格O*迁移到Mo6+的表面产生活性位或使其再生，它的掺入增加了催化剂表面吸附氧的相对含量，使参与异丁烯氧化反应的活性晶格氧物种的数量增多，加上稀土离子的碱性对烯丙基中间体形成的促进作用，从而使催化剂具有较高的反应活性。因而，本论文研究的稀土掺杂的BiMoVO复合氧化物催化剂对异丁烯选择氧化制甲基丙烯醛有较好的催化性能。
异丁烯;选择氧化;甲基丙烯醛;共沉淀法;催化剂;稀土元素;选择性;甲基丙烯酸甲酯
河北师范大学
硕士
无机化学
李铭岫
2006
中文
O632.12;O632.52;TQ314.242
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2006-10-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）