摘要
甲醇及其衍生物在工业上有广泛的用途。近年来发现一些甲醇衍生物在能源和环保方面也有很高的应用价值，如二甲醚（DME）可以替代柴油作为柴油机和火力发电站的燃料，能显著降低污染物的排放；碳酸二甲酯（DMC）辛烷值高，可以作为高标号汽油的添加剂：甲缩醛（DMM）含氧量高，用作柴油添加剂可以降低柴油车尾气的NO<,x>浓度和颗粒物含量，还可以用作燃料电池的燃料等。因此，研究这些甲醇衍生物的合成和转化有重要意义。 本论文研究了DMM和DME合成的催化过程，研制了性能优良的DMM和DME合成催化剂；开展了DMM催化重整制氢研究，获得了高效稳定的DMM重整催化剂：另外，本论文还对DMM转化的其它催化过程进行了探索，得到了一些有意义的结果。下面是本论文的主要结果： 1．甲醇脱水制DME催化反应研究：研制出用Ti（SO<,4>）<,2>改性的γ-Al<,2>O<,3>催化剂，在该催化剂上，甲醇脱水合成DME的反应温度适中，甲醇转化率高，DME选择性高，593K不积碳。 2．固体酸、碱催化DMM与DMC的分解反应：研究了DMM和DMC在MgO、H-ZSM-5、SiO<,2>、γ-Al<,2>O<,3>及ZnO上的稳定性。发现DMM在碱性氧化物MgO上稳定，在H-ZSM-5上分解为DME、甲醛等；DMC在具有较强酸性和碱性的氧化物上都容易分解，主要产物为CO<,2>和DME，而在酸碱性较弱的氧化物SiO<,2>和ZnO上较稳定。 3．V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂上甲醇选择氧化合成DMM：甲醇在V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂上的氧化产物受催化剂制备和反应条件的影响很大。如何高产率地获得甲醛和甲酸甲酯，文献中已有系统的总结，但对V<,2>O<,5>／TiO2催化剂上如何高产率地得到DMM尚缺乏研究。本论文系统分析了文献中V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂上甲醇选择氧化的产物分布，以及DMM选择性与催化剂酸性-Redox性能的关系，发现在一般的V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂上氧化性占主导地位，而酸性相对较弱。因而应通过适当增强V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂的酸性，使之与氧化性匹配，从而在较高的甲醇转化率下获得较高的DMM选择性。另一方面，V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂酸强要适当，过强的酸性会 导致甲醇脱水生成副产物DME。本论文经过研究发现用Ti（SO<,4>）<,2>修饰能有效提高TiO<,2>载体和V<,2>O<,5>／TiO<,2>2催化剂的酸性，并且酸性适中。用经过修饰的TiO<,2>载体制备的V<,2>O<,5>／TiO<,2>催化剂，具有很高的甲醇氧化活性，在较低的温度下（423K）即可获得较高的甲醇转化率（45％）和DMM选择性（91％），与文献报道的最好的结果相近（在513 K Re/y Fe<,2>O<,3>上，甲醇转化率为48％，DMM选择性为91％，）。另外，用Ti（SO<,4>）<,2>修饰的V<,2>O<,5>TiO<,2>催化剂上DMM选择性也有显著提高。经酸性修饰的V205/TiO<,2>催化剂制造成本低廉，性能稳定，甲醇转化率和DMM选择性高，对反应条件适应性强，具有较好的工业化前景。用NH3吸附量热、NH3吸附红外和异丙醇探针反应对TiO<,2>载体和V<,2>O<,5>/TiO<,2>催化剂的酸性和氧化性进行了表征。 4．DMM催化重整制氢研究：DMM安全无毒，氢含量高，适宜作为小型移动氢源的制氢原料。本论文首次完整提出DMM催化重整制氢方案。DMM的催化重整反应可以看作DMM水解和甲醇、甲醛催化重整反应的耦合。DMM重整催化剂应是具有DMM水解活性和甲醇重整活性的双功能复合催化剂。甲醇重整选用传统的Cu—ZnO／Al<,2>O<,3>工业催化剂。本论文对酸性催化剂上DMM水解反应进行了研究。发现在酸性较强的催化剂HZSM-5上DMM水解活性高，但有较多的副产物DME产生：在R-A1<,2>O<,3>上DMM水解生成甲醇的选择性高，但转化率低，不能满足要求。我们发现V<,2>2O<,5>／TiO<,2>催化剂和经过硝酸处理的碳纳米纤维（用H.CNF表示）具有很高的DMM水解活性。以V2O<,5>／TiO<,2>或H-CNF为水解组分的DMM重整复合催化剂具有良好的DMM重整性能。在复合催化剂上DMM制氢效率与甲醇重整制氢效率相当（约为甲醇制氢的80％）。用NH3吸附量热表征了H-CNF的酸性，发现经硝酸处理的CNF表面具有一定数量的酸中心，该H-CNF能有效催化DMM水解，并能与Cu-ZnO／Al<,2>O<,3>催化剂相匹配。这一结果为CNF的应用提供了新思路。论文还对反应机理进行了分析，提出DMM在Cu-znO/Al<,2>O<,3>催化剂上分解产生DME的机理，并通过了实验验证。证实了水解组分在DMM重整反应中的作用。论文提出了DMM催化重整制氢整体式微通道反应器设想。
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