金属掺杂γ-MnO2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系

• 作者: 刘鹏 梅付名 段嘉豪 王杰 王盼盼
• 来源期刊: 催化学报
• 关键词: 二氧化锰 金属掺杂 乙醇氧化 乙醛 CO催化氧化
• 年，卷（期）: 2020,（8）
• 所属期刊栏目: 论文
• 页码范围: 1298-1310
• 页数: 13页
• 字数: 2201字
• 语种: 中文
• DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63551-3

摘要

二氧化锰(MnO2)因具有制备简单、Mn4+/Mn3+/Mn2+混合的金属价态、可调变的晶型结构(如α,β,γ,δ等)、丰富的表面氧缺陷和活泼的晶格氧等特点,在多相催化领域被广泛用作需氧氧化催化剂.MnO2催化气相氧化主要集中在催化燃烧或完全氧化,催化性能最佳的MnO2晶型因反应底物不同会有所差异.由于其氧化催化活性较高、选择性难于控制,MnO2这类结构丰富、价廉易得的催化剂在气相选择氧化制高附加值化学品中面临着机遇和挑战.乙醇气相选择氧化制乙醛符合绿色和可持续性化学工业的发展需求,被认为是替代传统高污染、高成本的乙烯瓦克氧化工艺的最佳选择.MnO2在催化乙醇燃烧中应用广泛,不同晶型MnO2中α-MnO2的活性最高.我们已经报道了非变价金属离子掺杂α-MnO2(M-OMS-2),特别是具有最强表面碱性和可还原性的Na-OMS-2在乙醇气相选择氧化中获得了高达66％的乙醛产率和与贵金属催化剂相接近的催化效率.然而,不同晶型MnO2对乙醇气相选择氧化催化性能的影响,以及选择氧化和完全氧化所需的MnO2晶型和结构性质是否一致尚不清楚.这些问题的阐明无疑能够指导更高性能MnO2选择氧化催化剂的设计合成.本文首先制备了四种晶型(α,β,γ,δ)MnO2,并将其应用于气相乙醇选择氧化和CO氧化,惊喜地发现γ-MnO2在这两类反应中均表现出最高的催化活性,这与之前报道的乙醇催化燃烧和CO氧化结果明显不同,证明了MnO2的晶型结构和反应条件对其催化氧化性能有重要影响.为了深入研究γ-MnO2在乙醇气相选择氧化和CO氧化中的构效关系,通过一锅水热法制备了金属掺杂的M-γ-MnO2(M=Cu2+,Zn2+,Mg2+,Co2+,Ni2+,Ca2+,Al3+,Fe3+,La3+).采用多种表征手段证明了金属掺杂能够有效地调变γ-MnO2的结构组成、表面酸碱性和可还原性.制得的M-γ-MnO2催化剂在CO和乙醇氧化中显示出不同的活性顺序,发现CO氧化中催化剂的酸碱性更加重要.具有最高表面碱性/酸性位点摩尔比的Zn-γ-MnO2在CO氧化中活性最佳,其表面锰物种和氧物种的氧化态在反应前后基本不变,表明M-γ-MnO2上的CO氧化遵循基于晶格氧的Mars-van Krevelen机理.与之不同的是,催化剂的可还原性是影响乙醇气相选择氧化性能的更主要因素.具有最高表面可还原性的Cu-γ-MnO2于200℃获得了最高75％的乙醛产率和较好的催化稳定性,这归因于其在较低温度下存在更多的Mn2+/Mn3+缺陷位和氧空位,这有利于O2和乙醇的低温活化.进一步的动力学研究表明,O2和乙醇浓度对反应速率影响不大,而空速的增大能够大幅度提高乙醛的时空收率.同位素效应证明醇羟基断裂仍然是反应的速控步骤,因此表面晶格氧和吸附氧物种均参与了乙醇活化.