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Effect of Promoters on Manganese-Containing Mixed Metal Oxides for Oxidative Dehydrogenation of Ethane via a Cyclic Redox Scheme

脱氢 氧化还原 催化作用 化学 乙烯 无机化学 化学链燃烧 焦炭 氧气 半反应 光化学 有机化学
作者
Seif Yusuf,Luke Michael Neal,Fanxing Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:7 (8): 5163-5173 被引量:134
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b02004
摘要

Ethylene is an important building block in the chemical industry; state of the art ethylene production (steam cracking) has multiple drawbacks, including high energy consumption, coke formation, and significant CO 2 and NO x emissions. We propose a chemical looping oxidative dehydrogenation (CL-ODH) process to convert ethane into ethylene in a two-step, cyclic redox scheme. In this process, lattice oxygen in a metal oxide based redox catalyst is used to combust the hydrogen formed in ethane dehydrogenation, thereby enhancing ethylene formation while retarding coke formation. The oxygen-deprived redox catalyst is subsequently regenerated with air, releasing heat to balance the overall heat requirement. CL-ODH can realize a reduction of over 80% in primary energy consumption and pollutant emissions. The key to this process is an efficient redox catalyst with high selectivity and facile oxygen transport. Previously we determined that oxides with an Mg 6 MnO 8 structure allow high lattice oxygen mobility and satisfactory oxygen-carrying capacity for the proposed redox reactions. However, unpromoted Mg 6 MnO 8 exhibits poor ethylene selectivity, producing primarily CO 2 . In the current study, we examine the effects of various sodium-containing promoters on Mg 6 MnO 8 CL-ODH activity and mechanism. Sodium tungstate promoted Mg 6 MnO 8 was the most effective redox catalyst, showing an ethylene selectivity of 89.2% and yield of 68.2%, a significant improvement of thermal cracking (38.9% yield). Temperature-programmed reaction (TPR) experiments indicate that the reaction proceeds via gas-phase ethane thermal cracking in parallel with selective hydrogen combustion on the redox catalyst surface. XPS analysis indicates that the decreased ethane/ethylene oxidation activity on the sodium tungstate promoted redox catalysts results from the suppression of near-surface Mn 4+ . This is due to a combination of decreased surface manganese content and reduction in average Mn oxidation state. The suppression of Mn 4+ results in a decrease in electrophilic surface oxygen species, inhibition of ethylene combustion, and enhanced ethylene yield.
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