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金属氧化物催化剂及其催化作用
金属氧化物催化剂及其催化作用
金属氧化物催化剂通常为复合氧化物(complex
oxides),即多组分的氧化物。如V O -MoO , TiO -
2 5 3 2
V O -P O ,V O -MoO -Al O 。组分中至少有一个组分是
2 5 2 5 2 5 3 2 3
过渡金属氧化物。组分与组分之间可能相互作用,作
用的情况因条件而异。复合氧化物系通常是多相共
存,如MoO -Al O ,就有α-、β-、γ-相。其结构十分
3 2 3
复杂,有固溶体、有杂多酸、有混晶等。
就催化作用与功能来说,有的组分是主催化剂,
有的组分为助催化剂或者是载体。
金属氧化物催化作用机制-1
金属氧化物催化作用机制-1
半导体的能带结构
催化中重要的是非化学计量的半导体,有n型和p型两大类。非计
量的化合物ZnO是典型的n型半导体(存在自由电子而产生导电行
为)。NiO是典型的p型半导体,由于缺正离子造成非计量性,形
成氧离子空穴,温度升高时,此空穴变成自由空穴,可在固体表
面迁移,成为NiO导电的来源。
Fermi能级E 是表征半导体性质的一个重要物理量,可以衡量固体
f
中电子逸出的难易,它与电子的逸出功∅直接相关。∅是将一个
电子从固体内部拉到外部变成自由电子所需的能量,此能量用以
克服电子的平均位能,Fermi能级Ef就是这种平均位能。
对于给定的晶格结构,Fermi能级E 的位置对于其催化活性具有重
f
要意义。如NxO分解催化反应。
XPS研究固体催化剂中元素能级变化
金属氧化物催化作用机制-2
金属氧化物催化作用机制-2
氧化物表面的M=O键性质与催化活性的关联
=
晶格氧(O )的催化作用:对于金属氧化物催化剂表面发生氧化反应
时,作为氧化剂的氧存在吸附氧与晶格氧两种形态。晶格氧由于氧化物
结构产生。选择性氧化(Selective Oxidation)是固体氧化物催化剂应用主
要方向之一。在选择性氧化中,存在典型的还原-氧化催化循环(Redox
mechanism) )。这里晶格氧直接参与了选择性氧化反应。
根据众多的复合氧化物催化氧化可以概括出:1 选择性氧化涉及有效的
晶格氧;2 无选择性完全氧化反应,吸附氧和晶格氧都参加了反应;3 对
于有两种不同阳离子参与的复合氧化物催化剂,一种阳离子M+承担对烃
分子的活化与氧化功能,它们再氧化靠晶格氧O= ;另一种金属氧化物阳
离子处于还原态,承担接受气相氧。(双还原-氧化催化循环机理)
(dual-redox)
举例:甲烷选择性氧化制备合成气、甲醇或甲醛
CH +O →CO+2H -136 kcal/mol
4 2 2
CH +O →CH OH -22 kcal/mol
4 2 3
CH +O →HCHO+H O -70 kcal/mol
4 2 2
CH +O →CO +2H O -189 kcal/mol
4 2 2 2
烃类晶格氧选择氧化应用
烃类晶格氧选择氧化应用
用催化剂的晶格氧作为烃类选择氧化的氧化剂,按照REDOX催化
循环模式,采用循环流化床提升管反应器,将烃原料与空气分开
进料,在提升管反应器中发生反应生成氧化产物,失去晶格氧的
催化剂被输送到再生器中用空气氧化到初始高价态,然后送入提
升管反应器完成还原-再氧化循环。
这种新工艺在没有气相氧分子的条件下进行反应,可避免深度氧
化反应,大幅度提高选择性
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