CuY和Cu/γ-Al2O3催化剂载体性质对甲醇氧化羰基化催化性能的影响

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在碳酸二甲酯(DMC)众多合成工艺中,以CH3OH、CO和O2为原料的甲醇气相氧化羰基化合成DMC,工艺操作简单,原料价廉易得,原子经济性高,是一条环境友好,具有工业应用价值的合成路线,受到广泛关注。目前,甲醇气相氧化羰基化法合成DMC主要采用的金属氯化物负载催化剂,反应过程中C1元素容易流失,导致催化剂失活和设备腐蚀问题。同时,已有研究表明,Cu+为反应的活性中心,并且反应过程中C1元素并非必不可少。因此,无氯催化剂的制备及其催化作用成为重要的研究方向,其中负载型无氯Cu基催化剂是研究热点之一。而负载型催化剂中载体性质影响反应的催化性能。本文采用密度泛函理论方法分别研究了CuY和Cu/γ-Al2O3催化剂中载体性质对甲醇氧化羰基化合成DMC反应的催化活性影响;其中,CuY催化剂中主要考虑载体的Al原子分布位置、不同Si/Al比的Y型分子筛和CuY催化剂稳定结构、载体Si/Al比,Cu/γ-Al2O3催化剂中主要考虑载体表面羟基化。得到主要结论如下:确定了各Si/Al比的CuY催化剂中Al原子最可能的分布位置及CuY催化剂的稳定结构,并获得CuY催化剂上DMC合成反应机理为:首先,氧存在情况下吸附态的CH3OH在催化剂表面上氧化形成CH3O和OH共吸附物种;随后,CO插入CH3O形成CH3OCO;其后,CH3OCO与另一个CH30反应形成DMC;最后,吸附于催化剂表面的DMC脱附。CO插入CH30形成CH3OCO为控速步骤。CuY催化剂中载体Si/Al比为6.5时的催化活性最高,并得到已有实验结果的验证。这一事实说明理论计算可以为甲醇氧化羰基化合成DMC实验工作中新型CuY催化剂以及其他类型催化剂的筛选、改性和设计提供比较明确的线索。Cu/γ-Al2O3催化剂上甲醇氧化羰基化合成DMC主反应路径与CuY催化剂不同,主反应路径为:首先,氧存在情况下吸附态的CH3OH在催化剂表面上氧化形成CH3O和OH共吸附物种;随后,生成的CH3O和OH进一步与另一个CH3OH反应形成(CH3O)2和H20;其后,CO插入(CH3O)2形成DMC;最后,吸附态的DMC脱附。控速步骤为CO插入(CH3O)2形成DMC。Cu/γ-Al2O3催化剂中载体表面的羟基修饰不利于CH30H氧化脱氢,并且降低了该催化剂对甲醇氧化羰基化合成DMC的催化活性。CuY (Si/Al=6.5)催化剂对甲醇氧化羰基化合成DMC反应的催化活性高于Cu/γ-Al2O3催化剂。
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