Effect of Cerium Addition to Bismuth–molybdenum Complex Oxide Catalyst for Partial Oxidation of Propylene to Acrolein

The effect of Ce addition to a Bi–Mo complex oxide catalyst supported on SiO2 was examined on the partial oxidation of propylene to acrolein. The catalyst consisted of an oxygen-supply phase in which the lattice oxygen in Mo-oxide was doped with transition metals such as Fe, Ni and Co and was supported by SiO2 and a catalytic-active phase that involved hydrogen abstraction from a reactant in the Bi-center of Bi–Mo oxide, which was supported by the oxygen-supply phase. In the present study, Ce was added to the oxygen-supply phase to enhance its redox nature. Ce addition was advantageous particularly under oxygen-rich conditions in the feed stream. For example, at P(C3H8) = 10.1 kPa and P(O2) = 15.5 kPa at 623 K, the yield of acrolein was slightly enhanced from 57.6 % with 0 % Ce doping to 65.3 % with 20 % Ce doping at 6 h on-stream. However, under more oxygen-rich conditions at P(C3H8) = 10.1 kPa and P(O2) = 31.0 kPa at 623 K, the yield of acrolein was approximately doubled from 27.7 % with 0 % Ce doping to 61.8 % with 20 % Ce doping at 6 h on-stream. Analysis using XPS of the previously used catalysts for the reaction in the absence of gaseous oxygen confirmed the unique redox behavior between the catalytic-active phase and the oxygen-supply phase as the lattice oxygen in the catalytic-active phase was replenished from the oxygen-supply phase to maintain the surface properties of the catalytic-active phase. The XPS results and the remarkable effect of Ce addition to the oxygen-supply phase under oxygen-rich conditions confirmed the validity of the concept of the catalyst preparation consisting of an oxygen-supply phase and a catalytic-active phase.

SiO2に担持されたBi–Mo複合酸化物触媒へのCe添加の効果を，プロピレンのアクロレインへの部分酸化について検討した。本研究で検討した触媒は二つの相で構成されおり，SiO2に担持されたMo-酸化物にFe，Ni，Coを導入した格子酸素に対する酸素供給相，およびその周りに担持した反応物からの水素引き抜きを行うBiサイトを持つBi–Mo酸化物の触媒活性相の2相である。本研究では，酸素供給相の酸化還元性を高めるために，酸素供給相にCeを添加した。Ce添加による良好な結果は，酸素リッチの原料ガスを用いた際に観測された。たとえば，P(C3H8)＝10.1 kPa，P(O2)＝15.5 kPa，T＝623 K，通塔時間6時間において，Ceの添加率を0 %から20 %に増加させても，アクロレインの収率は57.6 %から65.3 %へわずかに増加しただけであった。一方，同条件で，P(O2)＝31.0 kPaとした酸素リッチの条件では，Ceの添加率を0 %から20 %に増加させると，アクロレインの収率は27.7 %から61.8 %へと約2倍増加した。原料ガス中に酸素を加えずに反応を繰り返した後の触媒のXPS分析により，触媒活性相と酸素供給相の間のユニークな酸化還元挙動が確認され，触媒活性相の格子酸素は酸素供給相から補充されて，触媒活性相表面の状態が維持されることが明らかになった。これらのXPSによる結果と，酸素リッチ状態での酸素供給相へのCe添加の触媒活性への顕著な効果に基づいて，酸素供給相と触媒活性相からなる触媒調製方法の概念が正しいことを明らかにした。

© 2020 by The Japan Petroleum Institute