モリブデンカーバイド触媒上の酢酸の昇温脱酸素化
Summary
酢酸の脱酸素中に、炭化モリブデンの触媒性能を評価するためのマイクロスケールの温度プログラム原子炉の運転のためのプロトコルは、ここに提示しました。
Abstract
温度プログラム反応（TPRxn）は、種々の条件で固体触媒性能をスクリーニングするためのシンプルで強力なツールです。 TPRxnシステムは、実時間（ 例えば 、質量分析計）で反応を監視するために、反応生成物（ 例えば 、ガスクロマトグラフ）、および計測を定量化するために、機器を制御するフロー反応器、炉、ガスおよび蒸気の供給源を含みます。ここでは、酢酸、バイオマス熱分解蒸気のアップグレード/安定化には多くの中で重要な反応の脱酸素化のためのモリブデン炭化物触媒を研究するTPRxnの方法論を適用します。 TPRxnは、触媒活性および選択性を評価し、仮想的な反応経路（ 例えば 、脱カルボニル化、ケトン化および水素化）をテストするために使用されます。酢酸脱酸素のTPRxn試験の結果は、炭化モリブデンは約以上の温度で、この反応のための活性な触媒であることを示し300℃、反応の好意こと約以下の温度で脱酸素化（ すなわち 、COの結合破壊）製品約以上の温度で400°Cと脱カルボニル化（ すなわち 、CCの結合破壊）製品400°C。
Introduction
温度プログラム反応（TPRxn）を、反応物の同時に脱着（TPD）、酸化（TPO）、及び還元（TPR）を含む多くの昇温方法の一つであり、触媒の暴露を介して進行しているかが着実に増加が続きます温度。 1、2、3 TPRxnは、反応温度の関数としての触媒活性及び選択性に関する情報を提供する過渡的な技術です。 4、5、6また、人気の技術です：文学利回りその使用を理由に1000人以上のソース中のキーワード「昇温反応」の検索。
TPRxn実験は、典型的には、反応器流出物とpの相関のリアルタイム分析のために質量分析計（MS）を備えたマイクロリアクターシステムで実施されます温度とerformance。反応ガスは、マスフローコントローラと液体が液体を介して不活性ガスをバブリングすることにより、シリンジポンプを介して、又は蒸気として導入することができる使用して導入することができます。触媒は、多くの場合、反応のための所望の触媒相を形成するために、その場で前処理されます。いくつかのシステムは、触媒、または反応機構上に存在する触媒選択、表面種に関する定量的または定性的な情報を提供するために、典型的な質量分析計を超えて、追加の分析機器が装備されています。例えば、 その場フーリエ変換にプログラムされた温度は、赤外分光法（FTIR）を、反応温度を変化させた表面種の進化に関する情報を提供変換します。 図7に示すように 、この研究で実証8 TPRxnシステムは、より一般的なMSに加えて、ガスクロマトグラム（GC）を備えています。 4つの並列列を装備したこのGCは、より正確な定量化を可能にします反応生成物のfication、それはカラムを通って溶出する製品にかかる時間によって解析周波数に制限されています。したがって、MSおよびGCの組み合わせは、反応物及び生成物の正確な定量化のリアルタイム識別を結合するために特に有用であり得ます。
ここでは、炭化モリブデン触媒上での酢酸の脱酸素化を研究するためにTPRxnの方法論を適用します。酢酸はバイオマス熱分解蒸気中に存在する多くのカルボン酸のために有用なアナログであるように、これは、触媒の研究で興味深いと重要な反応です。 9バイオマス熱分解蒸気の高い酸素含有量は、炭化水素燃料を生成するために、酸素除去を必要と10、11、12、炭化モリブデン触媒は、フルフラールを含む多くのバイオマス熱分解蒸気のモデル化合物、1-プロパノールを約束脱酸素性能を示していますフェノールおよび酢酸。 9、13、14、15、16が、脱酸素反応における炭化モリブデン触媒の活性および選択性は、触媒の構造と組成、反応種と反応条件に依存します。
酢酸のTPRxnから収集されたデータは、炭化モリブデン触媒は、 約上記の脱酸素反応のために活性であることを示しています300℃であり、触媒の特性情報と組み合わせた酢酸の代謝回転率の計算を介して、温度の関数としての触媒活性の定量化を可能にします。 TPRxn結果は、脱酸素化（ すなわち 、COの結合破壊）製品は、約以下の温度で好まれていることを示しています400℃、脱カルボニル化（ すなわち 、CC結合破壊）製品はFAVOです約以上の温度での赤400°C。さらに、TPRxn研究は、種々の合成手順（ すなわち 、別のモリブデンカーバイド触媒の構造と組成物の製造）を用いて製造炭化モリブデン触媒の活性および選択性の変化を示します。それでも、この情報の値は、より一般的に、触媒の設計およびプロセスの最適化に向けTPRxn実験データの成功した適用は、得られるデータの質の関数です。 TPRxn手順を通して強調された潜在的な難しさや限界を慎重に検討し、知識が最も重要です。
Protocol
Representative Results
Discussion
TPRxn方法は、反応温度の関数として触媒の活性及び選択性に関する情報を提供する、触媒物質のスクリーニングのための強力なツールです。このようなTPD、TPOおよびTPRのような他の昇温方法は、反応物質の吸着力、吸着サイトの数、および適切な触媒の前処理手順に関する情報を提供することができますが、直接触媒性能データを提供していません。なお、この作業で詳述TPRxn方法が定常状?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Department of Energy Bioenergy Technologies Office under Contract no. DE-AC36-08-GO28308. The U.S. Government retains and the publisher, by accepting the article for publication, acknowledges that the U.S. Government retains a nonexclusive, paid up, irrevocable, worldwide license to publish or reproduce the published form of this work, or allow others to do so, for U.S. Government purposes.
Materials
| glacial acetic acid | Cole-Parmer | EW-88401-62 | alternate supplier acceptable if ACS purity grade. See caution statement in protocol for safety information |
| UHP H₂ | Airgas | HY R300 | alternate supplier acceptable if >99.99% purity |
| UHP He | Airgas | HE R300SS | alternate supplier acceptable if >99.99% purity |
| UHP Ar | Arigas | AR R200 | alternate supplier acceptable if >99.99% purity |
| acetone | VWR International | BDH1101-4LP | alternate supplier acceptable if >99.5% purity |
| quartz chips | Powder Technology Inc. | Crushed Quartz | sieved 180-300 µm, calcined in air at 500 °C overnight |
| mass spectrometer – turbo vacuum pump | Pfeiffer Vacuum | TSU 071 | mass spectrometer is controlled with LabVIEW 2010 software package (National Instruments) |
| mass spectrometer – turbo vacuum pump | Stanford Research Systems | RGA100 | |
| micro gas chromatograph | Agilent | CP740388 | 490 Micro GC; 4-channel system Channel 1: 494001360 Molseive 10m, heated backflush Channel 2: 494001460 PPU 10m, heated backflush Channel 3: 490040 AL2O3/KCL 10+0.2m, heated backflush SPECIAL Channel 4: 492005750 5CB 15m, heated |
| GC software | Aglient | OpenLAB CDS EZChrom Edition | |
| clean gas filters | Agilent | CP17974 | for use on GC carrier gases (He, Ar) |
| quartz "U-tube" reactor | n/a | hand blown glass, custom built to order | |
| bubbler | n/a | custom built to order | |
| ceramic furnace | Watlow | discontinued | Similar furnace part #: VC401J12A-B000R |
| heat tape controller | n/a | custom built with Watlow EZ-zone parts | |
| heat tape | Omega | FGH051-060 | alternate supplier for extreme temperature heat tape acceptable |
| heat tape insulation | JEGS | 710-80809 | alternate supplier acceptable |
| thermocouple | Omega | e.g., KMQSS-062U-18 | K-type thermocouples; alternate sizes may be required |
| thermocouple o-ring | Swagelok | VT-7-OR-001-1/2 | perfluoroelastomer(fluorocarbon FKM) o-ring |
| 2 µm solids filter, VCR gasket | Swagelok | SS-4-VCR-2-2M | |
| 1 µm orifice, VCR gasket | Lenox Laser | SS-4-VCR-2 | for mass spectrometer orifice |
| 316/316L stainless steel tubing and fittings | Swagelok | Varies | See Swagelok 'VCR Metal Gasket Face Seal Fittings' and 'Stainless Steel Seamless Tubing and Tube Support Systems' catalogs for more information |
| 316/316L stainless steel tubing and fittings | Swagelok | Varies | See Swagelok 'Integral-Bonnet Needle Valves', 'Bellows-Sealed Valves' and 'One-Piece Instrumentation Ball Valves' catalogs for more information |
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