热分析在催化研究中的应用

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1、第五章热分析在催化研究中的应用（下）7.催化剂老化和失活机理的研究引起催化剂老化和失活的机理很多，一般可分为两类：一、由于杂质或毒物的化学吸附、分解产物或固体杂质的沉渍，覆盖在催化剂表面造成的失活；二、由于烧结或结构改变，是催化剂活性表面下降或化学组成改变造成的失活。此外活性组份流失和价态变化有时也是导致催化剂失活的重要原因。由于催化剂老化前后的热行为不同，故可借助热分析由热量和质量的变化判断催化剂老化和失活机理。7.1由于中毒造成的失活催化剂毒物通常是由反应原料带入的杂质和反应过程中生成的产物中含有的对催化剂

2、有毒的物质。因为它们在很低浓度下就对反应有明显的抑制作用，所以称之为毒物。7.2由堵塞或覆盖造成的失活由于不同的催化剂所催化的反应各异，在反应过程中出现在催化剂表面的沉积物也各种各样。最常见的是含碳化合物的沉积，通常称为积炭。常压气相催化聚合制三聚氯氰活性炭催化剂的失活机理。（1）在新鲜催化剂的DTA曲线上A上只于110℃出现一个脱水吸热峰。（2）在使用后的催化剂DTA曲线B上，除脱水峰外还于330℃出现了第二个吸热峰。（3）为考查第二个峰是否与催化剂失活有关，将完全失活的催化剂DTA曲线C与B比较，发现DTA

3、曲线C与DTA曲线B十分相似，而且第二个吸热峰比曲线B更明显。显然催化剂失活与第二个吸热峰有关。（4）之后将完全失活的催化剂于380℃用氮气吹扫4h，发现TG曲线上有失重。再将吹扫后的催化剂样品进行DTA测量，得到曲线D，发现第二个峰消失，同时催化剂活性得到部分恢复。第二吸热峰是四聚氯氰分解为二聚氯氰，四聚物可以通过氮气吹扫去除。7.3由烧结造成的失活烧结通常是负载型催化剂失活的主要原因，因为负载型催化剂的金属活性组分在载体表面呈高分散态，并具有高比表面积。在高温下，特别是在高温下还原时不仅会引起载体比表面积下

4、降，而且还会引起金属离子聚集，即由小晶粒长成大晶粒。还原吸收与吸附量之间的关系催化剂于140℃还原后的CO吸附量比较低；因为还原温度低，只有部分CuO还原为CuO，在160℃还原时获得最大的CO吸附量。之后随温度的升高，其CO吸附量呈下降趋势。这主要是由于随还原温度的增高，有越来越多的CuO焙烧结所致。7.4由结构组成改变造成的失活沸石催化剂失活的原因大多是由于积炭。有些情况下骨架铝的脱落也可导致催化剂活性下降甚至失活。7.4由结构组成改变造成的失活对弱酸中心相当于满覆盖的脱氨量20.17g/g减去600℃烧碳

5、后的脱氨量16.6g/g，即为由脱铝造成的脱氨下降值；由去炭后的脱氨量16.6g/g减去600℃积炭样的脱氨量9.37g/g，即为由积炭造成的脱氨量下降值。8.沸石催化剂积炭行为的研究沸石催化剂上积炭是裂化、异构化、重整、烷基化剂聚合等有机反应中常见的现象，积炭成为沸石催化反应中普遍关注的问题。由于积炭覆盖了活性中心或堵塞了孔道，阻止反应物接近活性中心和畅通的孔道，导致催化剂活性下降甚至失活。8.1甲醇转化为低碳烯烃沸石催化剂上的积炭行为8.1.1沸石结构对积炭的影响小孔沸石（八元环）－毛沸石（HE）和类毛沸石

6、（HS）；中孔沸石（十元环）－Fu沸石，ZSM-5和ZSM-11沸石；大孔沸石（十二元环）－四光沸石（HM）和Y沸石（HY）。积炭初速率按以下顺序递减：毛沸石（小孔）＞类毛沸石（小孔）＞HY沸石（大孔）＞丝光沸石（大孔）＞Fu沸石（中孔）＞HZSM-5沸石（中孔）＞HZSM-11沸石（中孔）。总积炭量按以下顺序递增：HZSM-5沸石（中孔）、HZSM-11沸石（中孔）＜Fu沸石（中孔）＜丝光沸石（大孔）＜类毛沸石（小孔）≤毛沸石（小孔）、HY沸石（大孔）8.1.2沸石酸性对积炭的影响影响积炭的另一重要因素是沸石

7、的酸性。用氨脱附法测量了上述沸石的酸性，在它们的脱氨曲线上皆出现两个峰分别与弱酸、强酸中心相对应，甲醇转化为烃过程的积炭量是在强酸部位发生。表20列出了各种沸石强酸部位的脱氨量和它们的起始积炭速率。沸石强酸部位酸量随硅铝摩尔比增高按如下顺序递降：毛沸石＞类毛沸石＞HY沸石＞丝光沸石＞HF沸石（中孔）≈HZSM-5≈HZSM-11其起始积炭速率递降顺序为：毛沸石＞类毛沸石＞丝光沸石＞HY沸石＞HZSM-5≈HZSM-118.1.3阳离子改质对积炭的影响沸石上引入某些阳离子可以调节沸石的酸性和孔径，可以减少强酸位的

8、酸中心数，而且可以抑制链增长、环化和芳构化反应，减少积炭的生成，增加沸石催化剂的稳定性。积炭量按以下顺序递减：ZnZSM-5＞HZSM-5＞PZSM-5＞MgZSM-5＞MnZSM-5酸量测定结果表明，改质后强酸部位的酸量皆有所下降。可能是由于引入的阳离子占据了沸石的部分强酸位置，可以认为改质的ZSM-5沸石上的积炭的减少，是由于沸石表面强酸位酸量下降和孔径变窄的缘故。9.吸附与反应机