褐煤加氫裂解負載型固體超強酸的構建及催化機理研究

《褐煤加氫裂解負載型固體超強酸的構建及催化機理研究》是依託中國礦業大學，由岳曉明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：褐煤加氫裂解負載型固體超強酸的構建及催化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：岳曉明
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

降低褐煤直接液化投資和運行成本的關鍵在於解決反應條件苛刻的難題，溫和條件下褐煤中橋鍵的選擇性地斷裂能有效地提高液化產率。本項目固體超強酸催化劑的構建旨在降低褐煤解聚反應條件的同時選擇性地催化斷裂煤分子結構中的橋鍵以達到提高煤液化產率的目的，為褐煤的定向解聚和後續高效利用提供技術支撐和科學依據。本項目擬製備負載型固體超強酸催化劑，利用多種先進儀器對催化劑進行表征，分析催化劑中活性組分的微觀結構；通過含橋鍵（特別是連線芳環的碳碳鍵和氧醚鍵）的模型化合物的加氫裂解反應，分析催化加氫裂解過程中活性氫的存在形態和轉移途徑；溫和條件下對褐煤進行催化加氫裂解，通過分析反應混合物的組成評價加氫裂解的反應性和催化劑的催化活性，並結合模型化合物反應結果分析固體超強酸對橋鍵選擇性斷裂的催化機理；通過機理分析反推褐煤中重要化學結構特別是橋鍵的類型及其連線的芳環結構。

結題摘要

溫和條件下使用的高效催化劑是褐煤直接液化中的關鍵技術問題，選擇性高的催化劑對液化產品的產率和品質有很大的影響。本項目構建固體超強酸催化劑旨在降低褐煤液化的反應條件，並且選擇性地催化斷裂褐煤大分子結構中的橋鍵，從而達到提高煤液化產率和提高液化產品品質的目的。本項目使用酸性較強的化合物作為催化劑的活性物，以孔隙發達的活性炭為載體，製備負載型固體超強酸催化劑，選擇二苯甲烷、二萘甲烷（DNM）和二萘乙烷等芳基烷烴，選擇二苯醚和苯基苄基醚兩種含醚橋鍵的模型化合物作為反應物，考察製備的固體超強酸催化劑對這些模型化合物的催化效果以及最佳化反應條件，並篩選出能在相對溫和條件下選擇性地催化煤分子中橋鍵斷裂而不在芳環上加氫的固體超強酸催化劑。以所篩選出的催化劑進行多種煤的催化劑氫反應，分析測試加氫產物的分子結構和含量，推測催化劑的催化過程和機理。通過FTIR、SEM、EDS、BET、NH3-TPD及XRD對催化劑進行表征，發現複合酸催化劑具有強酸性，其酸性明顯強於單種酸催化劑，複合酸催化劑中的兩種活性組分和載體活性炭之間有著很強的相互作用。在300 oC、氫氣初壓為5 MPa時，複合酸催化劑的作用下DNM轉化率可達到90%，且選擇性地對DNM中的Car-Calk橋鍵進行催化裂化而並不在芳環上加氫。DNM選擇性加氫裂解的機理是由於催化劑中的活性組分是吸電子能力很強的酸，可以使氫氣發生異裂而生成帶負電子的H- 和氫離子H+，H- 吸附在催化劑表面上不能移動，而游離的H+ 可以自由移動到DNM的萘環的ipso位置上，導致Car-Calk橋鍵的斷裂。以多種模型化物作為反應物進行催化加氫裂解反應，結果發現苄基菲（BP）、萘菲甲烷（NPM）、三苯甲烷（TPM）等芳基烷烴類模型化合物均發生催化裂解，生成相應的裂解產物而沒有生成芳環加氫衍生物，反應性高低取決於模型化合物本身的Sr值和產物的自由基的RE值大小。催化劑對煤大分子結構中芳烴、酚類和脂肪烴的釋放具有促進作用，催化劑對煤大分子結構中的Car-Calk和Ar−O−Ar等橋鍵具有選擇性催化斷裂作用。