CN102658135B - 一种钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂及制备方法，属于化肥催化剂领域。所述的氨合成催化剂以钙钛矿型BaZrO3为载体、金属钌为活性组分，BaZrO3载体由钡盐和锆盐通过有机物络合燃烧法制备，活性组分钌以K2RuO4为前驱体，负载量以Ru的重量计为载体重量的2%-10%，采用等体积浸渍法或沉积沉淀法负载到BaZrO3载体上。本发明制备方法简便，设备简单，所制备的催化剂具有低温低压活性高，性能稳定等优点，具备显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于化肥催化剂领域，涉及一种以金属钌为活性组分，钙钛矿型BaZrO3为载体的氨合成催化剂及制备方法，确切的说，它属于一种贵金属催化剂及其制备方法，应用于氢气与氮气混合气合成氨。
背景技术
氨合成工业属于典型的高能耗、低产出的的粗放型基础化工产业，因此节能降耗是氨合成工业发展的一个重要方向。与传统熔铁型催化剂相比，钌基氨合成催化剂具有低温低压高活性等优点，被誉为是继熔铁催化剂之后第二代氨合成催化剂。其中以活性炭为载体的钌基氨合成催化剂已经实现了工业化。但是活性炭在氨合成反应体系下的存在甲烷化反应，影响了反应过程中催化剂的稳定性，因此以高稳定性的氧化物代替活性炭负载钌制备高活性的氨合成催化剂成为研究的热点。
钌基氨合成催化剂主要由活性金属钌、载体及助剂组成，中国专利CN101362080A和CN101053834A公开了一种以钌为活性组分，以活性炭为载体，以碱金属、碱土金属为助剂的氨合成催化剂。以碱金属、碱土金属、稀土金属为助剂的炭载钌催化剂具有低温高活性的特点，但是在氨合成反应条件下催化剂载体易发生甲烷化反应，影响了催化剂的稳定性，制约了此催化剂的工业化应用。氧化物作为钌催化剂的载体具有稳定性高的特点，由此寻找一种适合于氧化物代替活性炭作为钌基氨合成催化剂的载体成为研究的热点。专利CN1820843 A提供了一种低温低压高活性氨合成催化剂的制备方法，以氧化镁和碳纳米管为载体负载钌用于催化氨合成反应。此法得到的催化剂虽然性能较好，但是其制备工艺复杂且碳纳米管的价格较高。
钙钛矿型氧化物在常温常压下本身就具有较好的氨合成催化活性，以钙钛矿型氧化物为载体负载钌，通过载体与活性成分间的协同作用，可使催化剂的低温低压活性显著提高。杨晓龙在催化学报,2010,31(4):377-379和Catalysis Commnications, 2010,11:867-870报道了以BaCeO3以及BaCe0.9Y0.1O3-X为载体负载钌用于催化氨合成反应，结果发现催化剂在3 MPa, 350 ℃条件下就具有优异的催化活性。但是，他们制备过程需要在高温度下才可以实现导致催化剂载体比表面积较低，经1100 ℃焙烧后仅为7 m2/g，使得催化剂的高温活性降低。
在氧化物负载钌氨合成催化剂研究领域，常见的载体主要有Al2O3、MgO、稀土氧化物和其它多孔纳米材料。与碳材料载体相比，活性总体相对较低，限制了氧化物负载钌催化剂在工业化过程的推广应用。本发明公布的锆酸钡负载钌催化剂在催化氨合成反应时，在低温低压条件下与其它氧化物负载形式相比，在催化活性方面显现出明显的优势。在相同的反应温度和空速下，系统压力为3 MPa 时Ru/BaZrO3 的出口氨浓度明显大于先前文献报道的10 MPa时 Wang 等报道的Ru/MgO(Catal Commn, 2010,12:251-254)、Lin 等报道的Sm-Ru/Al2O3和Sm-Ru/CCA(Catal Commn, 2007,8:1838-184和Catal Commn, 2011,12:1452-1457)、Zhang等报道的Ru/Sm2O3(Catal Commn, 2010, 15:23-26)以及倪军等报道的K-Ru/γ-Fe2O3 (催化学报2007,27:62-66)氨合成催化剂；在低温条件下，与我们最新报道的10MPa时采用氧化还原共沉淀法制备的Ru/Sm2O3-CeO2 （Catal Commn, 2010, 15:23-2；化学学报2012,70:137-142）相比，都具有明显的活性优势。
发明内容
本发明的目的在于克服氧化物载体负载的钌催化剂低温低压活性低的缺陷，提供了一种以电子导体为载体的低温低压高活性氨合成催化剂的制备方法。该方法工艺过程简单，无需添加助剂，制备周期短。在低温低压条件下，催化剂的性能优势明显，可以大幅度降低氨合成过程的能耗。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氨合成催化剂，所述催化剂以Ru为活性成分，以BaZrO3为载体，Ru含量为载体质量的2～10%；无需再另外添加助剂。
所述催化剂的制备方法：BaZrO3的制备方法采用有机物凝胶溶胶法。将相同摩尔量的锆和钡前驱体放入烧杯中，配成物质的量浓度为0.01-5 mol/L的溶液，在30℃-90℃条件下，混合搅拌0.5-4 h。将摩尔浓度为0.01-5 mol/L的络合剂加入上述混合溶液中，同时加入一定量的分散剂和稳定剂。络合剂和上述混合液中阳离子的摩尔比为1:1-8:1。将上述胶状混合液用烘箱、水浴或红外灯在60-120℃下蒸发1-12 h，得到凝胶状载体前驱体。将得到的胶状物体放入马弗炉中气体气氛中，以1℃/min的升温速率，在350℃-1200℃条件下焙烧0.5-12 h，即得到催化剂载体BaZrO3。将Ru的前驱体K2RuO4直接负载到催化剂载体，再用无水乙醇进行还原，还原剂与Ru的摩尔比为2-5:1。在K2RuO4沉淀过程中发生的反应为：
将得到的催化剂经洗涤，干燥后，即得到要的钌基氨合成催化剂。
所述负载方法采用等体积浸渍法或沉积沉淀法。
所述络合剂为柠檬酸、聚乙二醇、甘氨酸尿素和聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物。
所述的焙烧气氛为空气气氛、H2气氛、H2/N2的混合气氛和Ar中的一种。
所述的碱性沉淀剂是草酸钾和草酸钠中的一种或多种与KOH、NaOH或NH3·H2O中的一种或多种的混合物。
本发明的有益效果：本发明采用性能优异的电子导体材料BaZrO3为钌基氨合成催化剂的载体，直接采用浸渍法制备了负载型催化剂。无需浸渍助剂，制备工艺简单、无原料损失，在低温低压条件下既可以表现出优异的催化活性。
具体实施方式
下面结合具体实例，详述本发明。但是本发明的保护范围并不仅限于此，凡依本发明专利范围内所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
实施例1：
将Zr(NO3)4.5H2O:Ba(NO3)2:柠檬酸摩尔比为1:1:2.0的混合物溶于少量的蒸馏水中，得到无色澄清粘稠液。将此溶液在80℃水浴缓慢加热4 h，以蒸发过量的水分，再在90℃恒温条件下加热12 h，以促进混合物的凝胶化。最后，将得到的黄色凝胶在300 ℃下焙烧 1 h得到前驱体，再于700 ℃下焙烧5 h得到BaZrO3载体材料。采用等体积浸渍法将活性组分钌浸渍到载体中去，然后用无水乙醇还原，活性组分Ru占载体的质量分数4%。该催化该催化剂在3 MPa，空速为10000 h-1时，在375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为3.94%、6.80%和8.33%。Catalysis Commnications（2010,11:867-870）报道的5wt%钌含量的氨合成催化剂Ru/Al2O3、Ru/MgO和Ru/CeO2在400℃，3MPa和5000 h-1条件下的出口氨浓度分别为0.15%、1.46%和0.88%。本实例催化剂的活性远高于与上述报道的催化剂。
实施例2:
BaZrO3载体和钌的负载方法同实施例1，但是制备过程中Zr的前驱体为ZrO(NO3)2。同种条件下测试催化剂的出口氨浓度分别为3.84%、6.56%和8.24%。
实施例3：
BaZrO3载体和钌的负载方法同实施例1，但是制备过程中Ba的前驱体为Ba(CH3COO)2。同种条件下测试催化剂的出口氨浓度分别为3.72%、5.94%和7.86%。
实施例4:
BaZrO3载体和钌的负载方法同实施例1，但是制备过程中的络合剂为甘氨酸。同种条件下测试催化剂的出口氨浓度分别为3.52%、6.14%和7.86%。
实施例5：
BaZrO3载体和钌的负载方法同实施例1，但是制备过程中的络合剂为聚乙二醇。同种条件下测试催化剂的出口氨浓度分别为2.46 %、5.23%和6.42%。
实施例6：
制备方法同实施例1，但是BaZrO3前驱体的焙烧温度为900℃，其它条件均相同。得到BaZrO3的比表面积为7.56 m2.g-1，采用等体积浸渍法得到钌催化剂。在3 MPa，空速为10000 h-1时，在375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为2.56%、4.12%和6.48%。
实施例7：
催化剂载体的制备方法同实施例1，活性组分钌的担载方法采用沉积沉淀法。将制备的BaZrO3载体分散在K2RuO4溶液中，经超声分散10 min,然后加入一定量的无水乙醇。后续的方法如实施例1，得到催化剂在3 MPa，空速为10000 h-1时，在375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为2.21%、5.82%和6.92%。
实施例8：
催化剂载体的制备方法同实施例1，采用等体积浸渍法将K2RuO4浸渍到载体中后，以草酸钾为还原剂还原K2RuO4。后续的方法如实施例1，得到催化剂在3 MPa，空速为10000 h-1时，在375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为3.28%、5.94%和7.96%。
实施例9：
催化剂载体的制备方法和活性组分的负载方法同实施例1，但催化剂中活性组分Ru的含量为载体质量的2%。得到催化剂在3 MPa，空速为10000 h-1时，在375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为1.98%、3.76%和6.86%。
实施例10：
催化剂载体的制备方法和条件同实施方法1，但Zr(NO3)4.5H2O:Ba(NO3)2:柠檬酸摩尔比为1:1:4.0。后续的方法如实施例1，得到催化剂在3 MPa，空速为10000 h-1时，在350℃，375℃，400℃和425℃时的出口氨浓度分别为4.51%，6.48%、8.44%和8.30%。《分子催化》（2012，26（1）：1-9）报道的Ba-Ru/MgO在400℃，5 MPa，空速为5000 h-1的出口氨浓度为3%。本实例催化剂的活性远高于与上述报道的催化剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂，其特征在于：所述催化剂以BaZrO3为载体，以Ru为活性组分，活性组分的前驱体为K2RuO4，Ru含量以重量计为载体质量的2-10%；
所述的催化剂载体BaZrO3的制备方法采用有机物络合燃烧法，包括以下步骤：
（1）将相同摩尔比的锆和钡前驱体放入烧杯中，配成物质的量浓度为0.01-5 mol/L的溶液，在30℃-90℃条件下，混合搅拌0.5-4 h；
（2）将浓度为0.01-5 mol/L的有机物络合剂加入步骤（1）的混合溶液中，同时将与有机物络合剂摩尔比为1：2的乙二醇或正丁醇加入混合液中，得胶状混合液；
（3）将步骤（2）的胶状混合液用烘箱、水浴或红外灯在60-120℃下蒸发1-12 h，得到凝胶状载体前驱体；
（4）将步骤（3）的凝胶状载体前驱体放入马弗炉中，以1℃/min的升温速率，升温至700℃焙烧5h，得到BaZrO3 载体；
所述的催化剂活性组分Ru的负载方式采用等体积浸渍法或沉积沉淀法。
2. 根据权利要求1所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂，其特征在于：所述BaZrO3载体中Ba的前躯体是Ba(NO3)2、Ba(CH3COO)2或Ba(OH)2。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂，其特征在于：所述BaZrO3载体中Zr的前驱体是硝酸锆、硝酸氧锆或氯化氧锆。
4. 一种如权利要求1所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于：所述的催化剂载体BaZrO3的制备方法采用有机物络合燃烧法，包括以下步骤：
（1）将相同摩尔比的锆和钡前驱体放入烧杯中，配成物质的量浓度为0.01-5 mol/L的溶液，在30℃-90℃条件下，混合搅拌0.5-4 h；
（2）将浓度为0.01-5 mol/L的有机物络合剂加入步骤（1）的混合溶液中，同时将与有机物络合剂摩尔比为1：2的乙二醇或正丁醇加入混合液中，得胶状混合液；
（3）将步骤（2）的胶状混合液用烘箱、水浴或红外灯在60-120℃下蒸发1-12 h，得到凝胶状载体前驱体；
（4）将步骤（3）的凝胶状载体前驱体放入马弗炉中，以1℃/min的升温速率，升温至700℃焙烧5 h，得到BaZrO3 载体；
所述的催化剂活性组分Ru的负载方式采用等体积浸渍法或沉积沉淀法。
5. 根据权利要求4所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于： 步骤（2）所述有机物络合剂是柠檬酸、聚乙二醇、氨基乙酸、尿素、聚丙烯酰胺中的一种或几种的混合物，有机物络合剂和步骤（1）的混合液中阳离子的摩尔比为1:1-8:1。
6. 根据权利要求4所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（4）的气体气氛为空气、H2、H2/N2的混合气氛或Ar。
7. 根据权利要求4所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于：所述的催化剂活性组分Ru的负载方式采用等体积浸渍法包括以下步骤；
（1）将质量浓度为5%的K2RuO4浸渍到BaZrO3载体中；
（2）将还原剂均匀地滴加到步骤（1）的混合液中，还原剂与Ru物质的量之比为2:1-10:1；采用红外灯在60-120℃下干燥1-12 h。
8. 根据权利要求4所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于：所述的催化剂活性组分Ru的负载方式采用沉积沉淀法包括以下步骤；
（1）将BaZrO3载体放入蒸馏水中，利用超声处理20-60 min；使混合物混合均匀，呈乳白色；加入K2RuO4，搅拌均匀；
（2）将还原剂均匀地滴加到步骤（1）的混合液中，还原剂与Ru物质的量之比为2:1-10:1；在30℃-90℃条件下，混合搅拌0.5-2h，陈化1-5 h，离心洗涤后在烘箱或红外灯在60-120℃下干燥1-12 h。
9. 根据权利要求7或8所述的钙钛矿型复合氧化物负载钌氨合成催化剂的制备方法，其特征在于：所述的还原剂为无水乙醇、草酸、草酸盐中的一种或多种混合物。
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