不同MoO3質量分數MoO3-ZrO2的合成表征及正己烷異構化性能

馮嘉裕，張 宏，楊 森，許本軍，白英芝，王海彥

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

不同MoO3質量分數MoO3-ZrO2的合成表征及正己烷異構化性能

馮嘉裕，張 宏，楊 森，許本軍，白英芝，王海彥

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

水熱法合成了不同MoO3質量分數的MoO3-ZrO2，利用N2吸附-脫附、X射線衍射、紅外光譜和掃描電鏡手段對 MoO3-ZrO2進行分析。MoO3-ZrO2的正己烷異構化實驗在固定床反應器上進行。結果表明：適量MoO3的添加促進四方晶相ZrO2的生成，使MoO3-ZrO2的比表面積增大。MoO3-ZrO2中含MoO3質量分數為20%時，MoO3在ZrO2表面高度分散，其正己烷的轉化率和異構產物的收率分別達到48.6%和34.1%。

MoO3-ZrO2； MoO3；質量分數；異構化

烷烴異構化工藝是生產高辛烷值汽油調合組分的重要方法之一。將低辛烷值的正構C5/C6烷烴轉化為高辛烷值的異構烷烴，具有重要的意義[1,2]。但傳統的異構化工藝中液體酸催化劑存在腐蝕設備和污染環境，固體酸作為一種新型催化材料，消除了液體酸易腐蝕設備、污染環境等諸多問題，成為近年來人們研究的熱點。SO42-/MxOy型固體超強酸由于失活速率快，在工業應用受到了一定程度的限制[3]。而非硫酸促進的 MoO3（WO3）/ZrO2型氧化物固體超強酸，雖然其酸性略低于SO42-/MxOy固體超強，但在催化反應中具有催化活性高、水熱穩定性好、易與產物易分離和可反復再生等優點，在異構化、烷基化等諸多催化反應中表現出較好的應用前景和使用價值[4-9]。Nurun Najwa Ruslana等[10]研究結果表明，MoO3-ZrO2擁有大量相的B酸和L酸中心。促進了烷烴異構化轉化過程中的氫分子溢流。近年來，MoO3-ZrO2型固體超強酸的制備及應用方面報道較多，但普遍存在結晶度差、孔徑小、催化活性低等問題。通過調節 MoO3質量分數來改變 MoO3-ZrO2結構，進而實現酸中心和加氫-脫氫中心的平衡，以獲得較好的異構化活性。本論文采用水熱法合成了MoO3-ZrO2，考察了MoO3質量分數對MoO3-ZrO2的結構及正己烷異構化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

八水氧氯化鋯、七鉬酸銨、十六烷基三甲基溴化銨、濃氨水、無水乙醇和正己烷均由國藥集團化學試劑有限公司提供；聚苯乙烯微球（PS）乳液為實驗室自制。

D/max-RBX射線衍射儀，分析樣品的晶相結構；利用 ASAP 2010型吸附儀測定孔道結構，以BET法計算比表面積，DFT法進行孔體積和孔徑分布計算；選用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品表面酸性。Su8000型場發射掃描電子顯微鏡觀測樣品形貌。用Agilent-6890+氣相色譜儀分析異構反應產物。

1.2 MoO3-ZrO2制備

將適量的氧氯化鋯和鉬酸銨溶于蒸餾水中攪拌均勻，緩慢滴加到十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和聚苯乙烯微球（PS）乳液的混合液中，滴加稀氨水調節PH值在9～9.5之間，70 ℃下攪拌3 h后轉入水熱釜中120 ℃保持24 h，室溫下老化24 h。先后用去離子水和乙醇洗滌沉淀物至洗液中無氯離子，常溫干燥12 h， 馬沸爐中700 ℃焙燒4 h，獲得MoO3-ZrO2白色粉末。壓片、粉碎、篩分取20-40目顆粒備用。

1.3 正己烷異構化活性實驗

在管式反應器中部裝填 5 mL 20～40目MoO3-ZrO2顆粒，兩端用 10～20目石英砂裝填。空氣氛圍下程序升溫到450 ℃活化2.5 h，通入H2，350 ℃還原2 h，泵入正己烷進行異構化反應。催化劑的異構化活性用轉化率、異構產物收率來描述。

2 結果與討論

2.1 N2吸附-脫附表征

不同 MoO3質量分數的 MoO3–ZrO2比表面積和孔結構參數見表1。

由表 1可知，隨著 MoO3質量分數的增加，MoO3–ZrO2樣品的孔徑逐漸減小，可能是部分MoO3分子進入了ZrO2孔道中；但隨著MoO3質量分數的增加MoO3–ZrO2的比表面積先增加后降減小；當樣品中MoO3質量大于20%時，由于MoO3在ZrO2表面產生顆粒聚集，導致比表面積減小。

表1 不同MoO3質量分數 MoO3–ZrO2的孔道參數Table 1 Pore parameter of MoO3–ZrO2with different MoO3mass fraction

2.2 XRD表征

不同MoO3質量分數的MoO3–ZrO2復合氧化物的XRD譜圖如圖1所示。

由圖1可見，樣品不含MoO3時，2θ為28.3°和31.7°處出現了較強單斜相ZrO2（M-ZrO2）的特征峰。當引入 MoO3后，30.2°處四方晶相 ZrO2（T-ZrO2）的特征峰增強，而M-ZrO2的特征峰消失，表明MoO3的引入促進了M-ZrO2向T-ZrO2的轉變。由于T-ZrO2比表面積較M-ZrO2比表面積大，因此對應BET分析中適量MoO3添加增大了復合氧化物的比表面積。MoO3質量分數小于或等于20%時，樣品譜圖中均無 MoO3的特征衍射峰，說明樣品中MoO3處于高度分散狀態或者滲透到ZrO2骨架中[11]。當MoO3質量分數達到25%時，四方晶相ZrO2的衍射峰強度略有減弱，在2θ=23.0°處的衍射峰歸屬于Zr(MoO4)2， MoO3質量分數再增加，Zr(MoO4)2物相的衍射峰增強。說明富裕的MoO3與ZrO2相互作用，生成了新的物相[12]。

圖1 不同氧化鉬含量MoO3–ZrO2的XRD譜圖Fig.1 XRD spectrum of MoO3–ZrO2with different MoO3mass fraction

2.3 FT-IR表征

MoO3質量分數分別為 15%、20%、25%的MoO3–ZrO2的紅外光分析結果如圖2所示。

圖2 不同MoO3質量分數的 MoO3–ZrO2的FT-IR譜圖Fig.2 FT-IR spectrum of MoO3–ZrO2with different MoO3mass fraction

由圖2可知，518 cm-1處為T-ZrO2的特征峰；3 438 cm-1為羥基的伸縮振動強吸附峰；971 cm-1處不同程度的吸附峰，主要是樣品中Mo-O-Mo鍵的特征峰；在766 cm-1處的吸附峰為MoO3分子滲透到ZrO2的骨架中形成了Mo-Zr鍵，而1 637 cm-1為復合氧化物中表面金屬原子吸附水的 O-H彎曲振動峰；2 957 cm-1和 1 391 cm-1處弱吸附峰分別歸屬于殘留的CTAB 中 CH2不對稱伸縮振動和-CH3伸縮振動； 971 cm-1、820 cm-1和766 cm-1這組特征峰，主要為構成超強酸中心 MoO42-官能團的橋式雙齒MoO3結合金屬元素時的特征振動峰[13]。MoO3質量分數為25%樣品的譜圖在820 cm-1處出現Mo-O-Mo和Mo-Zr鍵疊振動峰，進一步證明Zr(MoO4)2物種的生成，與XRD表征結果相符。

2.4 SEM表征

MoO3質量分數為20%的MoO3–ZrO2不同放大倍數下的SEM照片如圖3 所示。圖3（1）中未見明顯的粒子硬團聚。圖3（2）可以觀察到樣品較發達的空隙，孔洞尺寸大小不一，未觀測到孔道坍塌現象。

圖3 MoO3質量分數為20%的MoO3–ZrO2的SEM照片Fig.3 SEM micrographs of MoO3–ZrO2with MoO3massfraction 20%

2.5 MoO3-ZrO2催化劑在正己烷異構化活性評價

圖4為350 ℃、2.5 MPa、1.0 h-1和氫烴摩爾比4:1的條件下，不同MoO3質量分數MoO3–ZrO2的異構化實驗結果。

圖4 含不同MoO3質量分數MoO3–ZrO2的異構化性能Fig.4 Isomerization ability of MoO3–ZrO2with different MoO3mass fraction

由圖4可見，當催化劑中MoO3質量分數由15%增加到30%，正己烷的轉化率和異構烷烴的收率均先增大后減小。催化劑中MoO3質量分數為20%時，正己烷的轉化率和異構產物的收率均達到了最大值，48.6%和34.1%。綜合上述表征分析，這是由于此時MoO3在ZrO2表面達到單層分散，催化劑酸量增加，表現出了較好的異構化活性。

3 結 論

以CTAB和PS乳液的混合物為模板劑，采用水熱法合成了MoO3–ZrO2復合氧化物。MoO3質量分數對MoO3–ZrO2的孔道結構、比表面積和超強酸量具有一定影響，而且MoO3的引入有利于T-ZrO2的生成。過多的MoO3則會導致T-ZrO2的結晶度降低，并生成 Zr(MoO4)2相，使 MoO3–ZrO2異構化活性降低。當MoO3質量分數為20%時，MoO3在ZrO2中分散較好，MoO3–ZrO2樣品具有較大的比表面積和較多的超強酸中心。在350 ℃、2.5 MPa、1.0 h-1和氫烴摩爾比4:1時，含MoO3質量分數為20%的MoO3–ZrO2表現出較高的異構化活性，正己烷的轉化率和異構體收率分別達到48.6%和34.1%。

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Synthesis, Characterization and n-Hexane Isomerization Performance of MoO3-ZrO2With Difference MoO3Mass Fraction

FENG Jia-yu, ZHANG Hong, YANG Sen, XU Ben-jun, BAI Ying-zhi, WANG Hai-yan
（Liaoning University of Petroleum Chemical Technology, Liaoning Fushun 113001, China）

MoO3-ZrO2composite with different MoO3mass fraction was synthesized by hydrothermal method. The MoO3-ZrO2samples were characterized by X-ray diffraction, N2adsorption – desorption, infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. The n-hexane isomerization experiment on MoO3-ZrO2catalyst was carried out in fixed bed reactor. The results showed that the introduction of MoO3promoted the stability of tetragonal phase ZrO2and increased the specific surface area of MoO3- ZrO2. When the mass fraction of MoO3was 20% in MoO3-ZrO2, MoO3highly dispersed on the surface of ZrO2. The conversion rate of n-hexane and isomer yield respectively reached 48.6% and 34.1%.

MoO3-ZrO2; MoO3; mass fraction; isomerization

TQ 201

A

1671-0460（2016）11-2505-03

大學生創新創業訓練項目，項目號：2014101480005。

2016-09-28

馮嘉裕（1992-），男，新疆省哈密市人。E-m ail：148032356@qq.com。

白英芝（1976-），女，講師，碩士，清潔燃料生產。E-m ail：byz0510@163.com。