Non-oxidative dehydrogenation of propane and isobutane over unconventional ZrO2- or TiO2-based catalysts: Understanding the role of coordinatively unsaturated metal cations

使用非常规 ZrO2 或 TiO2 基催化剂进行丙烷和异丁烷的非氧化脱氢:了解配位不饱和金属阳离子的作用

基本信息

项目摘要

Non-oxidative dehydrogenation of propane and isobutane to the corresponding olefins are established large-scale processes that, however, faces challenges, particularly in catalyst development, which are toxicity of chromium compounds and high cost of platinum. To address these challenges, this proposal will deal with development of environmentally friendly and cost-efficient catalysts based on bulk materials (ZrO2 and TiO2). In comparison with typical supported catalyst, lattice defects on the surface of such catalysts are the catalytically active sites. They are coordinatively unsaturated metal cations (Mecus = Zr or Ti) located at oxygen vacancies. The main fundamental questions to be answered in this proposal are the effects of the host oxide (ZrO2 vs TiO2) and the metal oxide promoter (e.g. K2O, La2O3, or CeO2) used for creating anion vacancies in the host oxides on (i) formation of surface Mecus in the host oxides and (ii) the activity, on-stream stability and particularly selectivity (including coke formation) of Mecus in dehydrogenation of propane and isobutane. The alkanes were chosen both from fundamental and applied viewpoints. In comparison with propane/propene, isobutane and particularly isobutene (the desired product) can be isomerized to n-butane and linear butenes respectively. Therefore, it is important to elucidate if such isomers may open another pathways for formation of cracking products and carbon deposits. In order to understand the fundamentals of catalyst functioning on a level as elementary as possible, we will follow a complementary approach combining steady-state and transient catalytic tests as well as operando catalyst characterization with Density Functional Theory (DFT) calculations. In particular, the proposal is intended i) to establish structure-reactivity-selectivity relationships, which are the key factor for rational catalyst design as well as ii) to provide guidelines for an optimal production of propene and isobutene. The knowledge derived would permit to improve the efficiency of functionalization of raw materials in terms of saving natural resources and reducing harmful environmental impacts.
丙烷和异丁烷非氧化脱氢生成相应烯烃的大规模工艺已建立,但面临着挑战,特别是在催化剂开发方面,其中包括铬化合物的毒性和铂的高成本。为了应对这些挑战,该提案将涉及开发基于散装材料(ZrO2 和 TiO2)的环保且经济高效的催化剂。与典型的负载型催化剂相比,此类催化剂表面的晶格缺陷是催化活性位点。它们是位于氧空位的配位不饱和金属阳离子(Mecus = Zr 或 Ti)。本提案要回答的主要基本问题是主体氧化物(ZrO2 与 TiO2)和用于在主体氧化物中产生阴离子空位的金属氧化物促进剂(例如 K2O、La2O3 或 CeO2)对 (i) 形成的影响主体氧化物中表面 Mecus 的活性,以及​​ (ii) Mecus 在丙烷和异丁烷脱氢中的活性、运行稳定性和特别是选择性(包括焦炭形成)。烷烃的选择是从基础和应用的角度出发的。与丙烷/丙烯相比,异丁烷,特别是异丁烯(所需产物)可以分别异构化为正丁烷和直链丁烯。因此,阐明此类异构体是否可能开辟形成裂化产物和碳沉积物的另一条途径非常重要。为了尽可能基本地了解催化剂功能的基本原理,我们将采用一种补充方法,将稳态和瞬态催化测试以及操作催化剂表征与密度泛函理论 (DFT) 计算相结合。特别是,该提案旨在 i) 建立结构-反应性-选择性关系,这是合理催化剂设计的关键因素,以及 ii) 为丙烯和异丁烯的最佳生产提供指导。所获得的知识将有助于提高原材料功能化在节约自然资源和减少有害环境影响方面的效率。

项目成果

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