CN103272606A - 一种碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,属材料制备技术领域。称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,加入乙醇,搅拌混合后加热至混合物呈膏状,再经干燥、炭化,然后与浓盐酸混合,并密封搅拌三天;所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;所得抽滤后的产物烘干,然后在氮气保护下焙烧,再经研磨、造粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。所得多孔碳包纳米金属铜锌材料,具有较多的缺陷、孔隙,为活性金属与氢及催化原料的有效接触提供了通道;该方法制备出的催化剂具有低温、高活性、高选择性、无过热问题等特点,使甲醇合成的生产过程在大于90%的高单程转化率和高选择性状态下操作,大大提高了反应效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米催化剂的制备方法,属材料制备技术领域。
背景技术
纳米金属粒子具有尺寸小、比表面积大、表面的价键和电子态与颗粒内部不同,表面原子配位不全,表面活性位多等特点。随着颗粒直径的减小,粒子表面的粗糙度提高,越容易形成许多凸凹不平的原子台阶,增加了化学反应的界面。所以,当纳米金属粒子作为催化剂使用时不仅表现出很高的反应活性,而且可以降低反应温度,使得只有在较高温度下才可以发生的副反应受到抑制,提高了反应的选择性。因此,有人预计纳米金属催化剂将在二十一世纪的催化反应中充当主要角色,称为第四代催化剂。
而人们认识到纳米金属催化剂在较高温度或长时间使用时却容易发生金属晶粒的长大、烧结或团聚现象,致使催化剂的有效表面下降,从而导致催化剂活性的降低甚至失活,影响其使用寿命。这已成为制约其在工业上获得广泛应用的主要原因。为了解决该问题,人们通常将这些纳米金属催化剂颗粒负载在炭、金属氧化物和分子筛等固体的表面,形成所谓的负载型催化剂,来解决催化剂活性位的固定和抑制迁移的问题,目前虽然取得一定成效,但仍存在着颗粒易于长大、活性降低较快和水热稳定性较差等问题。
随着现代科学技术的发展,新形态、新结构和新性能的材料不断出现,人们对解决纳米催化剂团聚/烧结问题也提出更好的方法,即利用多孔有机/无机材料包覆金属催化剂纳米颗粒,使之在保持纳米金属颗粒高反应活性的前提下,通过外层无机/有机多孔材料来限制芯内纳米金属颗粒在反应过程中的迁移和长大,同时多孔膜为反应物与内部金属活性位的有效接触提供通道,通过控制孔道大小及表面性质还可以提高催化反应的选择性,与高分子聚合物和无机氧化物材料相比,炭材料具有水、热稳定性高、抗酸碱力强、表面易于修饰、改性和易于通过燃烧回收活性金属等特点,是常用的催化剂载。由此设想,如果以炭材料为壳来包覆纳米金属,不仅可以提高金属催化剂的热稳定性,而且通过精密控制外壳炭层的厚度、孔隙、缺陷等还可以大大提高金属催剂的使用寿命和反应选择性,解决纳米金属颗粒在反应过程中容易团聚失活的难题。覆纳米金属晶,是一种新型的纳米碳/金属复合材料,其中数层石墨片层紧密环绕纳米金属颗粒有序排列,形成类洋葱结构,纳米金属粒子则处于洋葱的核心。碳包覆纳米金属颗粒以其独特的形态结构和性质已成为世界范围内科学工作者的研究热点之一。
发明内容
鉴于以上碳包覆纳米金属晶的优势,本发明提供一种碳包覆纳米铜基催化剂,利用此方法制备出的催化剂应用于甲醇合成的反应中,取得较高的反应活性及选择性,并且大大提高催化剂的寿命。
本发明通过下列技术方案实现:一种碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,经过下列各步骤:
(1)按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为(0.1~1):(0.5~2):(0.5~2)称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为(1~5):(10~50)加入乙醇,搅拌混合36~72小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于60~90℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至100~200℃,再保温2~4小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为0.5~1:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在氮气保护下焙烧2~4小时,再经研磨、造粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
所述步骤(1)的炭黑是在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑。它是由小的石墨片层围绕中心同心排列而组成的纳米球状质点,具有高度分散性,碳元素含量大于99.5wt%。
所述步骤(6)的氮气保护是按25~50mL/min通入氮气。
所述步骤(6)的造粒是制成20~40目的颗粒。
碳包覆纳米金属颗粒,是一种新型的纳米碳/金属复合材料,简写为CEMNP,其中数层石墨片层紧密环绕纳米金属颗粒有序排列,形成类洋葱结构,纳米金属粒子则处于洋葱的核心。本发明中主要介绍了碳包纳米铜基催化剂的制备方法,炭黑作为碳包覆材料,将制备所得的铜基催化剂应用于甲醇合成的反应中。笼型多孔碳包纳米金属晶材料使外层洋葱碳在与内层金属同步生成的过程中保留较多的缺陷、孔隙,为活性金属与氢及催化原料的有效接触提供通道,或对合成出的致密CEMNP进行表面改性处理(氧化、活化造孔等),使之既满足金属与加氢原料的有效表面接触,又能起到禁锢纳米金属颗粒,抑制其迁移、长大和熔聚的作用,从而在保持纳米金属催化剂高活性的前提下提高其使用寿命。
本发明具备的有益效果:
(1)利用此方法制备的多孔碳包纳米金属铜锌材料,具有较多的缺陷、孔隙,为活性金属与氢及催化原料的有效接触提供了通道;
(2)对合成出的致密CEMNP进行表面改性处理(氧化、活化造孔等),使之既满足金属与加氢原料的有效表面接触,又能起到禁锢纳米金属颗粒,抑制其迁移、长大和熔聚的作用;
(3)该方法制备出的催化剂具有低温、高活性、高选择性、无过热问题等特点,使甲醇合成的生产过程在大于90%的高单程转化率和高选择性状态下操作,大大提高了反应效率。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑,即炭黑;按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为0.1:0.5:2称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为3:20加入乙醇,搅拌混合72小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于90℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至200℃,再保温3小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为0.5:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在50mL/min氮气保护下焙烧4小时,再经研磨、造粒成20~40目的颗粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
实施例2
(1)在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑,即炭黑;按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为0.3:0.8:1.6称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为1:10加入乙醇,搅拌混合48小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于70℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至150℃,再保温4小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为0.8:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在40mL/min氮气保护下焙烧3小时,再经研磨、造粒成20~40目的颗粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
实施例3
(1)在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑,即炭黑;按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为1:2:2称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为5:40加入乙醇,搅拌混合36小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于60℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至100℃,再保温2小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为1:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在25mL/min氮气保护下焙烧2小时,再经研磨、造粒成20~40目的颗粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
实施例4
(1)在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑,即炭黑;按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为0.5:1.5:0.5称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为3:50加入乙醇,搅拌混合60小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于80℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至160℃,再保温3小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为0.6:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在40mL/min氮气保护下焙烧2小时,再经研磨、造粒成20~40目的颗粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
实施例5
(1)在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑,即炭黑;按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为1:2:1称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比(g/L)为4:25加入乙醇,搅拌混合72小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于90℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至200℃,再保温2小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比(g/L)为1:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在50mL/min氮气保护下焙烧2小时,再经研磨、造粒成20~40目的颗粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
Claims (4)
1.一种碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,其特征在于经过下列各步骤:
(1)按炭黑、硝酸铜和硝酸锌的摩尔比为(0.1~1):(0.5~2):(0.5~2)称取炭黑、硝酸铜和硝酸锌,再按固液比为(1~5):(10~50)加入乙醇,搅拌混合36~72小时后置于80℃的水浴中;
(2)待步骤(1)的乙醇蒸发至混合物呈膏状,置于60~90℃下干燥24小时;
(3)将步骤(2)干燥后的混合物进行炭化,首先置于氮气环境中,并以2℃/min的升温速率升温至100~200℃,再保温2~4小时,然后待温度降到80℃以下后取出;
(4)将步骤(3)炭化后的混合物与浓盐酸按固液比为0.5~1:10混合,并密封搅拌三天;
(5)将步骤(4)所得混合物用去离子水稀释后再进行抽滤,反复稀释、抽滤,直至滤液呈中性;
(6)将步骤(5)所得抽滤后的产物烘干,然后在氮气保护下焙烧2~4小时,再经研磨、造粒,即得到碳包覆的纳米铜基催化剂。
2.根据权利要求1所述碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)的炭黑是在惰性气体保护下激光灼烧乙炔气体制得的乙炔黑。
3.根据权利要求1所述碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)的氮气保护是按25~50mL/min通入氮气。
4.根据权利要求1所述碳包覆的纳米铜基催化剂的制备方法,其特征在于:所述步骤(6)的造粒是制成20~40目的颗粒。
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