CN102974332B - 多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料及其制备方法，制备过程为：将纳米金刚石置于分散溶剂中，超声处理后形成均匀胶体，然后将多孔陶瓷载体放入均匀胶体中，搅拌条件下干燥处理，收集得到多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料；该方法具有工艺简单、成本低廉、纳米金刚石负载均匀的特点，所得材料由纳米金刚石和多孔陶瓷载体组成，纳米金刚石的负载量为材料总质量的0.1～10％；纳米金刚石均匀负载在多孔陶瓷载体表面，并形成交联涂层；该材料可催化丙烷、丁烷、异丁烷、乙苯、环己烷的直接脱氢与氧化脱氢反应。
Description
技术领域
本发明属于纳米催化材料及其制备方法技术领域，具体涉及一种多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料及其制备方法，所制得的复合催化材料可用于催化直接脱氢、氧化脱氢反应，或作为载体负载活性金属后作为催化剂用于加氢、裂化等反应。
背景技术
人工合成的金刚石粉末一般由爆轰法制备获得，其粒子尺寸为几个纳米到几百个纳米。当金刚石的尺寸小于10纳米时，为了降低表面能量，sp3杂化的金刚石相向sp2杂化的石墨相转变。小尺寸的纳米金刚石具有突出的电学、磁学、力学特性，强酸处理后纳米金刚石表面还可生成羧基、羟基、羰基、酸酐等活性官能团。正是因为其独特的物理和化学特性，纳米金刚石已被广泛用于耐磨材料、表面抛光、催化材料、磁性记录、润滑油、聚合物复合材料等领域。纳米金刚石还可直接作为催化剂使用，其重要应用之一是催化乙苯脱氢反应生成重要化工单体-苯乙烯(Angew.Chem.Int.Ed.46，2007，7319；49，2010，8640)。
文献报道显示，纳米金刚石只是作为纯相的粉体催化剂使用，主要存在下列两个问题。首先，在纳米金刚石粉末内，反应物气体分子扩散距离长、扩散阻力大，纳米金刚石的利用效率较低。另外，纳米金刚石颗粒较小，颗粒间热量传递效率不佳。这些问题都显著阻碍了纳米金刚石在液相催化、气相催化等领域内的应用。
发明内容
针对现有技术中纳米金刚石粉体催化材料的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多孔陶瓷负载纳米金刚石催化复合材料及其制备方法。该方法利用纳米金刚石粉体在指定溶剂内可形成高分散胶体，进而在多孔陶瓷载体上进行涂层负载获得本发明催化复合材料。该材料不仅可以有效降低催化反应中纳米金刚石用量和催化剂成本，还可充分利用多孔陶瓷载体的导热性能提高纳米金刚石的反应活性，大幅改善强吸热反应过程的热量分配与外供热利用效率，所制得的催化复合材料具有导热性好、催化活性优异、成本低、扩散效率高的突出优点，可以满足纳米金刚石在催化反应领域的实际应用需求。
本发明的技术方案是：
一种多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料，由纳米金刚石和多孔陶瓷载体组成，纳米金刚石的负载量为材料总质量的0.1～20％；所述纳米金刚石均匀负载在多孔陶瓷载体表面，并形成交联涂层；所述交联涂层厚度为0.5～200μm。
所述纳米金刚石由炮轰法制备，粒径为2～10nm；所述多孔陶瓷载体为多孔氧化铝、碳化硅、高铝氧质瓷、高岭土或锆英石质瓷中的一种。
多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料的制备方法：将纳米金刚石置于分散溶剂中，10～80℃下超声处理后形成均匀胶体，然后按所需比例将多孔陶瓷载体放入均匀胶体中，在搅拌条件下干燥处理，收集得到多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料；其中，每升分散溶剂中加入的纳米金刚石为5～150g，超声时间0.1～10小时，干燥温度30～140℃，干燥处理时间0.1～48小时。
所述超声时间优选为0.1～3小时，干燥温度优选为45～130℃，干燥处理时间优选为0.5～30小时。
所述分散溶剂优选为水或甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸乙酯的水溶液或无水乙醇、无水甲醇；分散溶剂为水溶液时，其质量百分浓度为5～95％。
该材料用于催化化学反应，所述催化化学反应为丙烷、丁烷、异丁烷、乙苯或环己烷的直接脱氢与氧化脱氢反应。
本发明中纳米金刚石在分散溶剂中超声处理后形成均匀的胶体，依靠其表面官能团与溶剂分子的强相互作用可以显著提高纳米金刚石在液相体系中的稳定性，进一步干燥处理后在多孔陶瓷载体表面形成均匀分布、微米级厚度的交联涂层。
本发明的有益效果为：
1、本发明的方法简单、绿色环保、不耗费化学溶剂，易于大批量制备纳米金刚石-多孔陶瓷复合材料。
2、本发明可根据投料量与挂浆量之间的比例关系调控纳米金刚石涂层厚度，从而大幅提高了纳米金刚石活性组分的利用效率。
3、本发明所得纳米金刚石-多孔陶瓷复合材料具有较好的孔内扩散性能，在催化反应中具有高活性、高选择性和高能量利用效率。
具体实施方式：
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
将20克纳米金刚石粉末投入2升去离子水中，于30℃下超声处理1小时，投入2公斤多孔氧化铝陶瓷，于50℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得1％(20g/2020g≈1％)负载量的纳米金刚石-氧化铝陶瓷复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为10毫升/分钟的5％乙烷-氮气混合气，反应4小时后乙烷转化率为10.3％，乙烯选择性60％。
实施例2
将20克纳米金刚石粉末投入2升去离子水中，于30℃下超声处理1小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于50℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得2％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为10毫升/分钟的5％乙烷-氮气混合气，反应4小时后乙烷转化率为13.5％，乙烯选择性51％。
实施例3
将80克纳米金刚石粉末投入2升去离子水中，于30℃下超声处理1小时，投入2公斤多孔高岭土陶瓷，于50℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得3％负载量的纳米金刚石-高岭土陶瓷复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为10毫升/分钟的5％乙烷-氮气混合气，反应4小时后乙烷转化率为17.2％，乙烯选择性44％。
实施例4
将20克纳米金刚石粉末投入2升20％乙醇-水溶液中，于30℃下超声处理2小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于50℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得1.7％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯-氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为15.9％，苯乙烯选择性97％。
实施例5
将25克纳米金刚石粉末投入2升无水乙醇中，于30℃下超声处理0.5小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于70℃下搅拌、烘干处理10小时，收集固体，获得2％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯-氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为23.2％，苯乙烯选择性95％。
实施例6
将25克纳米金刚石粉末投入2升无水乙醇中，于30℃下超声处理2小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于50℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得2％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，400℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯、2.8％氧气、94.4％氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为28.6％，苯乙烯选择性60％。
实施例7
将20克纳米金刚石粉末投入2升20％乙酸-水溶液中，于40℃下超声处理1小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于120℃下搅拌、烘干处理15小时，收集固体，获得1.6％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯-氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为17.6％，苯乙烯选择性96％。
实施例8
将30克纳米金刚石粉末投入2升20％乙酸-水溶液中，于40℃下超声处理1小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于120℃下搅拌、烘干处理15小时，收集固体，获得2.3％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的5％丁烷-氮气混合气，反应4小时后丁烷转化率为24％，丁烯与丁二烯选择性共计58％。
实施例9
将20克纳米金刚石粉末投入2升20％乙酸-水溶液中，于40℃下超声处理1小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于120℃下搅拌、烘干处理15小时，收集固体，获得1.4％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯-氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为19.2％，苯乙烯选择性94％。
实施例10
将20克纳米金刚石粉末投入2升30％甲醇-水溶液中，于40℃下超声处理1小时，投入1公斤多孔碳化硅陶瓷，于80℃下搅拌、烘干处理30小时，收集固体，获得1.8％负载量的纳米金刚石-碳化硅复合材料。取0.5克复合材料置于石英材质固定床反应器中，550℃通入流速为25毫升/分钟的2.8％乙苯-氮气混合气，反应4小时后乙苯转化率为11.3％，苯乙烯选择性97％。
Claims (5)
1.一种多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料的制备方法，其特征在于：所述催化材料由纳米金刚石和多孔陶瓷载体组成，纳米金刚石的负载量为材料总质量的0.1～20％；所述纳米金刚石均匀负载在多孔陶瓷载体表面，并形成交联涂层；所述交联涂层厚度为0.5～200μm；所述多孔陶瓷载体为多孔氧化铝、碳化硅、高铝氧质瓷、高岭土或锆英石质瓷中的一种；
所述催化材料的制备方法为：将纳米金刚石置于分散溶剂中，10～80℃下超声处理后形成均匀胶体，然后按所需比例将多孔陶瓷载体放入均匀胶体中，在搅拌条件下干燥处理，收集得到多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料；其中，每升分散溶剂中加入的纳米金刚石为5～150g。
2.根据权利要求1所述的催化材料的制备方法，其特征在于：所述纳米金刚石由炮轰法制备，粒径为2～10nm。
3.根据权利要求1所述的催化材料的制备方法，其特征在于：所述超声时间0.1～10小时，干燥温度30～140℃，干燥处理时间0.1～48小时。
4.根据权利要求1所述的催化材料的制备方法，其特征在于：所述超声时间为0.1～3小时，干燥温度为45～130℃，干燥处理时间为0.5～30小时。
5.根据权利要求1所述的催化材料的制备方法，其特征在于：所述分散溶剂为水或甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙酸乙酯的水溶液或无水乙醇、无水甲醇；分散溶剂为水溶液时，其质量百分浓度为5～95％。
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