[发明专利]一种Au催化剂的制备及其用于气相光催化乙醇合成乙烯、乙醛、丙酮的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光催化剂的制备及其在低温下气相光催化部分氧化乙醇制乙烯、乙醛、丙酮等多种产物的应用，属能源化工和精细化工领域，提供催化剂的制备方法和催化反应条件。

背景技术

乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，乙烯工业是石油化工产业的核心，乙烯产品占石化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。[Minhua Zhang. Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 9505−9514]

传统的乙烯生产方法主要有石油制乙烯、煤制乙烯、甲醇制乙烯、甲烷制乙烯和甜高粱制乙烯。其中石油制乙烯比例较大。煤制乙烯路线流程短、副产物较少、烯烃收率高，但是缺点是比石油基路线水耗高、CO2排放多。热催化法乙醇转乙烯催化剂有HZSM-5 zeolite [Bi, J. D.; Guo, X. W.; Liu, M.; Wang, X. S. Catal. Today 2010,149, 143−147]和H-ZSM-5 [Varisli, D.; Dogu, T.; Dogu, G. Chem. Eng. Sci. 2007, 62, 5349−5352.]等。

乙醛用于制造醋酸、醋酐和合成树脂。主要合成方法有乙烯直接氧化法、乙醇氧化法、乙炔直接水合法、乙醇脱氧法等。其中乙烯直接氧化法生产乙醛和工业化，使其成为主要方法。原因是乙烯来源丰富且廉价，具有反应条件温和、选择性好、收率高、工艺流程简单及三废处理容易等特点。

丙酮在工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。丙酮的工业生产以异丙苯法为主。以乙醇为原料生产丙酮，一般需要铬酸锌作催化剂，反应高温比较高，通常超过400℃以上。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种高效Au-TiO₂光催化剂用于在15-50℃和光照条件下，将气相乙醇部分氧化成乙烯、乙醛、丙酮等多种产物实验方法及反应条件。

本发明首次将Au-TiO₂催化剂用于气相光催化部分氧化乙醇制乙烯、乙醛、丙酮等多种产物的反应。实验结果表明，催化剂具有较高的乙醇转化率和乙烯、乙醛、丙酮的选择性。在实验温度范围内和光照条件下，乙醇转化率达到80%以上，乙烯、乙醛和丙酮的选择性最高达35-80%。

本发明的催化剂Au-TiO₂由1-5%的金和95-99%（摩尔比）的二氧化钛构成，二氧化钛晶型为锐钛矿型或锐钛矿与少量（低于25%）金红石混相构成。

本发明催化剂的制备方法是采用化学还原法制备。

制备方法如下。

（1）取一定量的氯金酸与蒸馏水配置成0.001 mol/l的氯金酸水溶液。

（2）以Au:NaBH₄=1:4（摩尔比）称取适量硼氢化钠，溶于预先冰浴冷却的蒸馏水中。

（3）称取一定量的二氧化钛超声分散于步骤（2）配制的硼氢化钠水溶液中，保持冰浴冷却继续搅拌。

（4）将步骤（1）配制的氯金酸水溶液逐滴加入到步骤（3）得到的混合溶液中，同时剧烈搅拌直到反应完成。停止搅拌并且静置24h。

（5）离心分离，洗涤，60℃下干燥。

本发明制备的催化剂比表面积与二氧化钛前体的比表面积接近，一般在50-300 m²/g。

如上所述的二氧化钛可以是商用混相二氧化钛P25、商用锐钛矿型二氧化钛ST-01、自制锐钛矿型或锐钛矿与金红石的混相二氧化钛。

如上所述的可溶性金盐可以是氯金酸、醋酸金、氯化金。

本发明的催化剂应用于气相光催化部分氧化乙醇制乙烯、乙醛、丙酮等反应方法如下：

催化剂粉末喷涂在固体表面上，该固体可以是玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷,光源为紫外光或太阳光，反应温度为15-50℃,乙醇/氧气摩尔比例为1-10,乙醇体积含量为1-3%，氮气为平衡气，反应空速为100-400 l﹒g^-1﹒h^-1。

本发明与已有技术相比具有以下创新与特点。

首次将Au-TiO₂催化剂用于气相光催化部分氧化乙醇制乙烯、乙醛、丙酮等反应。