Alkali Metal-Promoted La x Sr 2– x FeO 4−δ Redox Catalysts for Chemical Looping Oxidative Dehydrogenation of Ethane

脱氢 催化作用 化学 氧化还原 X射线光电子能谱 无机化学 化学链燃烧 氧化物 热脱附光谱法 氧气 过渡金属 解吸 吸附 物理化学 化学工程 有机化学 工程类
作者
Yunfei Gao,Farrah Haeri,Fang He,Fanxing Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (3): 1757-1766 被引量:124
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b03928
摘要

Chemical looping oxidative dehydrogenation (CL-ODH) represents a redox approach to convert ethane into ethylene under an autothermal scheme. Instead of using gaseous oxygen, CL-ODH utilizes lattice oxygen in transition metal oxides, which acts as an oxygen carrier or redox catalyst, to facilitate the ODH reaction. The oxygen-deprived redox catalyst is subsequently regenerated with air and releases heat. The current study investigated alkali metal (Li, Na, and/or K)-promoted La x Sr 2– x FeO 4−δ (LaSrFe) as redox catalysts for CL-ODH of ethane. While unpromoted LaSrFe exhibited poor ethylene selectivity, addition of Na or K promoter achieved up to 61% ethane conversion and 68% ethylene selectivity at 700 °C. The promotional effect of K on LaSrFe was characterized using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), low-energy ion scattering spectroscopy (LEIS), transmission electron microscopy (TEM), O 2 -temperature-programmed desorption (TPD), H 2 -temperature-programmed reduction (TPR), and 18 O 2 surface exchange. XPS and XRD showed that K incorporates into the mixed-oxide structure at low loading levels (e.g., 0.1K-LaSrFe), whereas the surface of LaSrFe was enriched with K cation at high loading levels. LEIS indicates that the outermost surface layer was covered by potassium oxide. This surface layer was characterized to be amorphous under TEM. It was further determined that the surface layer increased the resistance for O 2– diffusion from the bulk and its subsequent evolution into electrophilic oxygen species on the surface. As such, nonselective oxidation of ethane is inhibited. The synergistic effect of copromoting LaSrFe with Li and K was also investigated. Li and K copromotion improved the redox catalyst performance to 86% ethylene selectivity and 60% ethane conversion while maintaining an oxygen capacity of ca. 0.65 wt %, making it a promising candidate for CL-ODH.

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