生物基短链烷烃等离子耦合催化制烯烃的反应机理研究

In order to produce alkenes from biomass drived short chain alkanes with low temperature,increase catalyst stability and increase alkene selectivity, plasma will combine with dehydrogenation catalyst. Plasma can active stable alkane moleculars in mild condition and produce radicals. Redesigned plasma reactor and finely tuned reaction parameters will prodvide us a low temperature technology to produce radicals from alkanes at low temperature.Also the radical reaction mechanism will be checked in details.Dehydrogenation Pt-Sn bimetallic nano catalyst with different carriers will be used to convert alkanes to alkenes.With the benefits of both geometrically and electronically from bimetallic nano catalysts, low reaction temperature will be achieved. Understanding the surface chemistry on the catalyst will help us figure out the reaction pathway of both moleculars and radicals.With the understanding of both mechanisms in different convert methods.A technology combined plasma and catalysis will be designed follow the low energy rule. Experimental observation and simulation modeling will find the best working conditions for biomasss drived short chain alkanes. The understanding of this conversion process will provide a unique low temperature conversion method from biomass-drived alkanes to alkenes.

本项目针对生物质基短链烷烃裂解制烯烃中存在的高反应温度、催化剂易失活和选择性不高问题，将高压放电等离子体和脱氢催化耦合应用于生物质短链烷烃的定向转化制备烯烃。通过高压放电可以在温和条件下活化短链烷烃，产生大量的自由基。通过改进放电反应器设计，优化反应条件，实现低温条件下的高效活化，阐明自由基生成和反应机理。通过制备高稳的Pt-Sn双金属纳米催化剂，借助催化剂的结构效应和电子转移效应，实现在相对低温条件下的短链烷烃高效定向转化，理解烷烃分子及其自由基在催化剂表面的反应机理。在深入了解短链烷烃的两种反应机理的基础上，以自由基的演变为主线，依照能量最优化原则，设计高压放电和催化转化的高效耦合，通过实验观测和能量路线分析，找到最优工况，为实现低温条件下短链烷烃的高效转化提供理论基础和技术支撑。

乙烯和丙烯作为关乎国民经济的基本化工原料，在工业生产中占据着轻重的地位，工业上，随着乙烯和丙烯原料需求的不断增大以及石油脑原料价格的不断上涨，寻求新的制取乙烯和丙烯的方式显得尤为重要。乙烷和丙烷直接催化脱氢作为制取乙烯和丙烯的有效方式，越来越受到人们的关注。尽管目前丙烷直接脱氢制取丙烯已实现工业化生产，但催化剂性能并不理想，如催化剂稳定性和选择性低，能耗大。为了进一步探索实现烷烃脱氢技术的国产化，开发新型催化剂和对现有脱氢催化剂进行改进及探索高效、节能的新型脱氢过程是一个非常必要的过程。围绕这一问题，我们采用离子交换法制备了高效Pt-Sn/MgAlO催化体系。针对高稳定性、高选择性的优良催化剂催化转化烷烃脱氢的关键问题，制备了一系列高活性、高稳定性的PtSn/Mg(Ga)AlO和PtSn/Mg(Zn)AlO系列催化剂；探究不同条件对离子交换法制备催化剂的烷烃脱氢性能的影响，考察了不同Pt的负载量、载体中Mg/Al的摩尔比以及原料气的空速、原料气中氢气的加入等不同条件下催化剂的烷烃脱氢性能；完成了生物质基短链烷烃催化脱氢反应器的设计与优化；分析了短链烷烃在Pt基催化剂上发生脱氢反应的机理；考察了催化剂表面积碳、活性金属Pt粒子烧结对于催化剂寿命的影响，通过对催化剂的改性，找到了抑制催化剂失活的方法，提高了催化剂的稳定性；分别考察了不同反应条件对乙烷催化脱氢和丙烷催化脱氢的影响，优化了关键工艺参数，完成了催化剂的评价，乙烷初始转化率达到30%以上，丙烷初始转化率达到60%以上，目标产物乙烯和丙烯选择性均在99%以上。通过对载体结构的创新制备达到有效改善Pt基催化剂在烷烃脱氢反应条件下的稳定性问题，深入认识其在烷烃脱氢过程的机理，进一步解决工业应用的实际问题，创造重要的经济和社会效益。