2. 安徽国星生物化学有限公司, 安徽 马鞍山 243100
2. Anhui Costar Biochemical Limited Company, Ma'anshan 243100, China
醛(酮)氨法是我国主要的吡啶生产工艺, 该工艺在生产吡啶的同时还产生大量的甲基吡啶副产物[1].相对于吡啶, 甲基吡啶用途有限, 经脱甲基转化为吡啶, 将有利于我国吡啶产业的健康发展.
烷基吡啶脱烷基方法主要包括热解脱烷基和催化剂存在下的加氢或氧化脱烷基[2-4].由于吡啶化合物的碱性, 容易导致加氢催化剂失活, 所以催化氧化脱烷基具有催化剂稳定性好、转化率和吡啶产物选择性较高等优点.常见的催化剂主要包括V-Cr、VaXbAgcOd(X: Cr、Mo和W)、V-Mo-P、K-V2O5 / SiO2、V2O5/TiO2、V-Ag-Cr/TiO2等[5-10]钒系催化剂. Leitis等[7]研究发现以V-Mo-P催化时, 3-甲基吡啶(3-MPy)容易被过度氧化成COx, 吡啶收率分别为仅为19.8%.胡小波等[11]在空速0.01 h-1条件下研究了Ag-V/TiO2催化3-MPy氧化脱甲基, 发现Ag掺杂能够提高V2O5/TiO2表面氧和+4价态的钒物种的含量, 改善其催化活性.此外, 毛丽秋等[12]研究认为Ag具有强的给电子能力, 能够促进O2-的形成, 提高氧化反应的选择性. CeO2具有良好的氧化还原特性, 被广泛用于改善钒催化剂的催化性能[13-16].张海新等[17]发现添加Ce可以提高钒物种的分散度和氧化还原性能, 抑制钒物种的深度还原, 增强催化剂的碱性, 减缓催化剂积炭.同时, 邵怀启等[18]研究发现添加MoO3可以降低V=O还原温度, 使得晶格氧更易活化.袁伟杰等[19]研究发现Cr掺杂可以促进V2O5晶格氧的活动性, 提高V2O5/TiO2催化3-MPy氧化合成烟酸的收率和选择性.为了提高催化剂负荷, 我们针对Ag-V2O5/TiO2催化剂进行了改性研究, 制备了Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化剂, 在空速1.2 h-1条件下考察了3-MPy脱甲基性能, 并对催化剂进行了XRD、N2物理吸附、H2-TPR及吡啶吸附红外光谱表征.
1 实验部分 1.1 原料3-甲基吡啶(C6H7N), 工业级, 纯度>99%, 安徽国星生物化学有限公司; 偏钒酸铵(NH4VO3)、草酸(H2C2O4·2H2O)、硝酸铈(Ce(NO3)·6H2O)、硝酸银(AgNO3)、氨水(NH3·H2O)等其他试剂都为AR级, 国药集团化学试剂有限公司; TiO2(锐钛型, 比表面>60 m2/g, 平均孔径10~20 nm), 南京海泰纳米材料有限公司; 去离子水自制.
1.2 催化剂制备以锐钛型TiO2为载体, 通过浸渍法负载活性组分V2O5、CeO2和掺杂组分Ag, 其中V2O5的质量分数为15%, Ce/V的摩尔比为0.5, Ag的质量分数为1.0%.按质量分数称取计算量的偏钒酸铵、硝酸铈、硝酸银和草酸, 加入去离子水, 加热溶解后制得浸渍液.在上述浸渍液中加入一定量TiO2粉末, 缓慢搅拌浸渍1~2 h后室温静置24 h.然后, 加热脱水并于110 ℃恒温干燥24 h.最后, 经一定温度焙烧处理制得Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化剂.其他改性催化剂, 在上述条件下分别以钼酸铵、硝酸铬、硝酸铁、硝酸锆和硝酸镁等代替硝酸铈制备.
1.3 催化剂表征X射线分析在D 8 Advance型X射线衍射仪(德国Bruker公司)上进行, 采用Cu Kα射线((λ=0.154 18 nm)), 工作电压40 kV, 扫描范围10°~80°, 扫描速率20°/min.吡啶吸附红外光谱利用Nicolet6700红外光谱仪(美国Thermo Scientific公司)测定.催化剂的比表面积及孔隙率由ASAP2420物理吸附仪(麦克默瑞提克仪器有限公司), 采用N2-BET法测定.
1.4 催化性能评价催化剂活性评价采用自制二段床连续式催化反应装置, 反应管为内径15 mm石英管, 1.0 g催化剂(粒径0.154 mm)粉以等量石英砂稀释后填充.反应物3-MPy以去离子水按1:10的摩尔比配置成水溶液, 按0.06 mL/min的流速注入, 并与20 mL/min的空气混合通入一段床气化炉(200 ℃).随后混合反应气进入填充催化剂的二段床反应炉, 在300 ℃条件下进行氧化脱甲基反应.待反应稳定后, 经过冰盐浴冷却, 收集30 min内的反应产物, 用于组成分析.
将上述反应收集到的混合溶液, 以去离子水定容.然后, 在配备DK-3001半自动顶空进样器的GC-1690型气相色谱仪上采用标准曲线法进行定量分析.顶空进样器温度80 ℃, SE-54(30 m×0.32 mm×0.25 μm)毛细管柱, 色谱分析采用程序升温:初始温度70 ℃, 恒温7 min, 然后以10 ℃/min升温至120 ℃, 并恒温4 min, 进样口和检测器温度均为260 ℃.
2 结果讨论 2.1 改性组分对Ag-V2O5/TiO2催化性能的影响表 1考察了一系列不同改性组分对Ag-V2O5/TiO2催化3-MPy氧化脱甲基化性能的影响.结果显示, 在Ag掺杂质量分数为1%, V2O5负载量为15%条件下, 可以通过添加改性组分修饰Ag-V2O5/TiO2的催化性能.其中, Cr2O3、CeO2或Fe2O3改性可以提高3-MPy转化率, 即添加上述3种组分可以改善Ag-V2O5/TiO2的催化活性; MoO3、Fe2O3或CeO2改性有利于提高Py产物选择性, 尤其CeO2改性时Py选择性达到68.05%.然而, 以ZrO2或MgO改性时3-MPy转化率和Py选择性都低于未改性Ag-V2O5/TiO2.据此推测, 添加可变价过渡金属可以调变Ag-V2O5/TiO2催化性能.其中, CeO2具有良好的氧化还原特性和储放氧的能力[14], 通过CeO2改性可以明显改善Ag-V2O5/TiO2催化性能.
分别在Ce/V物质的量之比为0、1/4、1/3、1/2和1/1制备了系列Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化剂, 考察CeO2掺入量对催化性能的影响. 图 1结果显示, 随CeO2掺入量增加, 3-MPy转化率和Py选择性都明显提高.其中, Ce/V达到0.25时, CeO2掺入量对3-MPy转化率影响较小; Py产物的选择性在Ce/V=1/3时达到最大, 进一步提高CeO2掺入量, 产物Py选择性明显降低.虽然混合产物顶空色谱分析仅能观察到反应物3-MPy和产物Py, 但是连续反应过程中可以发现微量晶体状产物, 经GC/MS分析为吡啶-3-甲酸(烟酸).由于V2O5/TiO2不仅可以氧化3-MPy脱甲基, 而且可以在较低温度下选择性氧化合成烟酸[19].所以, 推测较高反应温度下3-Py吡啶首先氧化形成吡啶-3-甲酸中间体, 然后发生热解脱羧生成吡啶.同时, 较高的反应温度也导致部分3-MPy、烟酸、Py等深度氧化生成COx[7], 并影响目标产物Py的选择性.
由图 2显示, CeO2掺杂明显改变了TiO2表面V物种的存在形式.其中, 未改性Ag-V2O5/TiO2可以观察到较弱的V2O5特征峰, 即V2O5在TiO2表面呈良好的分散状态; 掺杂CeO2后, Ag-CeO2-V2O5/TiO2可以观察到立方相CeO2和CeVO4特征峰[20-21].即, 一部分氧化钒物种与氧化铈发生高温固相反应形成了CeVO4晶相[22].随Ce掺入量增加, CeO2和CeVO4特征峰逐渐增强, V2O5衍射峰逐渐减小, 并在Ce/V=1/3时完全消失.进一步, H2-TPR(图 3)显示, Ag-CeO2-V2O5/TiO2存在两个明显的还原峰, 随Ce/V增大两个还原峰都向低温迁移.其中, 低温峰可以归属为表面CeO2纳米粒子还原峰[23], 高温峰应为高分散四面体钒物种的还原峰[17].当Ce/V=1时, CeO2还原峰相对强度明显增大.由此表明, 添加Ce可以提高Ce和V的氧化还原能力.同时, 图 3也显示Ce/V=1/4时在380和475 ℃还存在两个还原峰, 可以分别归属为表面V2O5和CeVO4还原峰[21].当Ce/V>1/3后CeVO4的还原峰与四面体钒物种的还原峰重叠, 峰形变宽.上述结果一致显示, CeO2改性不仅在催化剂表面形成了CeVO4, 而且改善了V2O5分散性, 提高了催化剂的氧化还原能力[17].综合考虑, CeO2适宜掺入量为Ce/V=1/3.
首先, 图 4活性组分V2O5负载量对Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化性能的影响显示, 随V2O5负载量增大, 3-MPy转化率逐渐降低, 但是Py产物选择性在V2O5负载量15%时达到最大, 进一步提高负载量Py选择性迅速减小.同时, 图 5催化剂吡啶吸附红外光谱显示, 随V2O5负载量增大, 催化剂的L酸中心吸收峰明显减小, 即V2O5负载降低了TiO2表面L酸中心密度, 不利于3-MPy转化.此外, 氮气吸附法测得V2O5负载量15%和20%时, 催化剂比表面积和平均孔径分别为38和35 m2/g, 2.21和2.36 nm.相对于TiO2载体, V2O5负载量增加造成TiO2载体微孔堵塞, 导致催化剂的比表面积减小.由此表明, 活性组分V2O5的负载量对催化活性影响较大, 虽然增大V2O5负载量不利于3-MPy转化, 但是可以在一定程度上提高Py的选择性和收率.综合考虑, Ag-CeO2-V2O5/TiO2中V2O5适宜负载量为15%.
其次, 图 6显示, 未添加Ag时, 虽然3-MPy的转化率较高, 但是Py选择性低; 添加Ag对3-MPy转化率影响不大, 但是可以大幅度提高目标产物Py选择性.当Ag负载量增大到1.0%时, 进一步提高Ag负载量对Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化性能影响不明显.究其原因, 可能是添加Ag改变了V2O5/TiO2催化活性氧结构, 使活性氧更易插入到甲基氧化中, 侧链的甲基被逐步氧化, 形成了COx脱离吡啶环, 大幅提高了吡啶的选择性[11].综合考虑, Ag-CeO2-V2O5/TiO2中Ag适宜添加量为1.0%.
图 7显示, 随着焙烧温度升高3-MPy转化率增大并在450 ℃时达到最大, 进一步提高焙烧温度3-MPy转化率急剧降低; 450 ℃以上Py产物的选择性也随焙烧温度提高显著下降.氮气物理吸附法测得500 ℃焙烧催化剂的比表面积和平均孔径分别为20 m2/g和1.92 nm, 明显低于450 ℃焙烧催化剂.进一步图 8 XRD分析显示, 550 ℃焙烧时催化剂中不仅出现较强的金红石型TiO2特征峰, 而且V2O5的特征峰也呈现明显增强.即, 焙烧温度过高, 一方面导致载体TiO2由锐钛矿向金红石型的转变, 比表面降低; 另一方面, 也造成V2O5活性组分团聚, 催化活性和选择性显著下降.此外, 图 9吡啶吸附红外光谱显示, 450 ℃以上焙烧时, 催化剂表面B酸中心和L酸中心含量迅速降低.因此, Ag-CeO2-V2O5/TiO2的最佳焙烧温度为450 ℃.
450 ℃焙烧时间对Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化性能的影响(如图 10所示)显示, 随焙烧时间增加, 3-MPy转化率和Py选择性增大, 4 h所制得Ag-CeO2-V2O5/TiO2的Py选择性最高, 焙烧时间5 h时3-MPy转化率达到最大.进一步延长焙烧时间, 催化剂活性和选择性明显降低.由此表明, 450 ℃Ag-CeO2-V2O5/TiO2适宜的焙烧时间为4 h.
图 11考察了Ag-CeO2-V2O5/TiO2连续催化反应性能.在10 h连续反应时间内, 3-MPy转化率和Py选择性分别在62.98%~72.77%和61.71%~65.21%之间.随反应时间增加, 3-MPy转化率呈现非常缓慢的降低趋势, Py选择性变化不明显.进一步, 催化剂热重分析显示, 除了在270~350 ℃范围内出现0.5%的缓慢失重以外, 反应10 h后催化剂热重曲线与反应前一致.由此推测使用后催化剂的0.5%失重主要为催化剂表面吸附的3-MPy、Py及反应中间物等氧化脱附所致, 反应10 h催化剂表面未出现明显的结炭.因此, 在300 ℃空速1.2 h-1的3-MPy氧化脱甲基化反应中, Ag-CeO2-V2O5/TiO2具有良好的催化稳定性.
Ce掺杂改性不仅在催化剂表面形成了CeVO4, 而且提高了催化剂的氧化还原能力和V2O5分散性, 从而改善Ag-V2O5/TiO2催化3-MPy氧化脱甲基反应性能.
3.2Ag-CeO2-V2O5/TiO2适宜组成和制备条件为:以锐钛矿型TiO2为载体, V2O5的质量分数为15%, Ce/V的摩尔比为0.33, Ag掺杂质量分数为1.0%;浸渍负载后于450 ℃焙烧4 h.
3.3TiO2载体结构是影响Ag-CeO2-V2O5/TiO2催化性能的重要因素, TiO2由锐钛矿型向金红石型转变是催化剂活性和选择性降低的主要原因.
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