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Ga/H-ZSM-5催化剂中Ga2O22+上丙烷C-H键的活化及相应反应机理

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丙烯是合成多种化学品的关键原料,丙烷脱氢(PDH)反应是一种将丙烷转化为丙烯的重要工业过程.传统的铂和铬基催化剂具有较高的PDH反应活性,但存在成本高、环境不友好等问题.因此,寻找同时具有高活性和高选择性的新型催化剂成为当前研究的重点.H-ZSM-5分子筛负载镓(Ga/H-ZSM-5)作为一种新型催化剂,在PDH反应中表现出良好的应用前景.本文研究了Ga/H-ZSM-5催化剂的PDH催化性能及其反应机理,揭示了不同镓物种在催化过程中的作用,为设计高效稳定的PDH催化剂提供了重要的理论依据和实验支持.本文主要研究了不同H-ZSM-5载体上镓物种的形态和分布对PDH催化性能的影响,以及相应活性镓物种上丙烷脱氢的反应机理.首先通过原位红外光谱(FTIR)和O2的脉冲滴定反应,结合PDH的反应速率结果,证明了Ga2O22+物种是PDH反应的主要活性位点.在不同镓/铝比条件下,Ga2O22+在B酸位(BAS)上占比不同.当镓/铝比低于0.3时,Ga2O22+/BAS比率随镓负载量增加而增加,并在镓/铝比超过0.4后达到平台期.同时,Ga2O22+物种的浓度对丙烯生成速率(STY)有着决定性影响.使用了五种来源不同、镓/铝比接近的H-ZSM-5载体,通过原位FTIR光谱研究了负载镓后的样品中在H2高温还原下形成的GaH物种,并将其与PDH活性相关联.研究结果表明,在纯氢的气氛中,不同载体上的Ga/H-ZSM-5样品形成的GaH物种在2035和2050 cm-1附近有明显的红外吸收峰,其中只有高波数的GaH峰(GaHHW)的峰面积与PDH活性紧密关联,而低波数的GaH峰(GaHLW)对PDH活性没有明显贡献,这些吸收峰分别对应于两种不同配位环境中的GaH物种.结果显示,在丙烷气氛中,GaHLW迅速减小,而GaHHW保持稳定,这表明GaHHW物种在PDH反应中起到更重要的作用.进一步采用H2-D2同位素交换实验研究了丙烷与GaH物种的相互作用机制,从而提出PDH反应在活性Ga2O22+物种上的反应机理:丙烷首先在GaH上被活化生成Ga-C3H7和H2,该步骤也是反应的决速步(RDS);然后C3H7发生β-消除得到丙烯,Ga物种恢复为GaH.在GaHLW对应的Ga物种上不能发生第二步反应,因此不具有PDH活性.由此可见,在Ga/H-ZSM-5催化剂上,只有部分对应于GaHHW的Ga2O22+物种是PDH反应的反应活性位点,并且PDH反应机理需要经过一个两步的烷基化机理.上述发现为理解Ga/H-ZSM-5催化剂在PDH反应中的作用机制提供了重要的实验依据和理论支持.未来,PDH反应领域的研究将继续致力于开发高效、低成本的催化剂,以及深入理解催化剂的作用机制.本文揭示了Ga2O22+物种在PDH反应中的关键作用,为设计更高效的Ga基催化剂提供了新的思路和方法.这有助于PDH催化剂的发展,并有助于实现工业过程的绿色化和高效化.
C-H bond activation of propane on Ga2O22+in Ga/H-ZSM-5 and its mechanistic implications
Propane dehydrogenation(PDH)on Ga/H-ZSM-5 catalysts is a promising reaction for propylene production,while the detail mechanism remains debatable.Ga2O22+stabilized by framework Al pairs have been identified as the most active species in Ga/H-ZSM-5 for PDH in our recent work.Here we demonstrate a strong correlation between the PDH activity and a fraction of Ga2O22+spe-cies corresponding to the infrared GaH band of higher wavenumber(GaHHW)in reduced Ga/H-ZSM-5,instead of the overall Ga2O22+species,by employing five H-ZSM-5 supports sourced differently with comparable Si/Al ratio.This disparity in Ga2O22+species stems from their differing capacity in completing the catalytic cycle.Spectroscopic results suggest that PDH proceeds via a two-step mechanism:(1)C-H bond activation of propane on H-Ga2O22+species(rate determining step);(2)β-hydride elimination of adsorbed propyl group,which only occurs on active Ga2O22+species corresponding to GaHHW.

Propane dehydrogenationGa2O22+Activation of C-H bondGa species

赵兆麒、钟云竹、常晓侠、徐冰君

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北京大学化学与分子工程学院,北京国家分子科学实验室,北京 100871

丙烷脱氢 Ga2O22+ C-H键的活化 镓物种

国家自然科学基金北京国家分子科学实验室资助

22172001

2024

催化学报
中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所

催化学报

CSTPCD
影响因子:1.269
ISSN:0253-9837
年,卷(期):2024.64(9)
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