CN103922929A - 一种气相光催化选择性氧化甲醇合成甲酸甲酯的负载型纳米Au催化剂的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二氧化钛负载的纳米金催化剂的制备方法及其在气相条件下光催化部分氧化甲醇制备甲酸甲酯的反应条件。以锐钛矿型或锐钛矿与少量金红石的混相二氧化钛为载体，以可溶性金盐为金的前驱体，硼氢化钠为还原剂，制备二氧化钛负载的纳米金催化剂，该催化剂在紫外光照射下，可以在含氧气氛中将甲醇气体部分氧化成甲酸甲酯。所制备的催化剂具有稳定性好，甲醇转化率高，甲酸甲酯选择性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光催化剂的制备及其应用，属能源化工和精细化工领域，主要适用于低温下气相光催化部分氧化甲醇制甲酸甲酯反应，提供催化剂的制备方法和催化反应条件。
背景技术
甲酸甲酯被誉为“万能的化学中间体”，可用于生产甲酸、甲酰胺以及其他几十种化工产品，也可直接用作杀虫剂、杀菌剂、熏蒸剂、烟草处理剂和汽油添加剂[G. Jenner. Appl. Catal. A. 1995, 121, 25-44]。
传统的甲酸甲酯生产方法主要有甲醇酯化法、甲醇羰基化法、甲醇脱氢法和合成气一步法，其中甲醇脱氢法包括甲醇直接脱氢和氧化脱氢两种方法。酯化法工艺落后、生产成本高、设备腐蚀严重，生产工艺基本淘汰；羰基化法反应压力高（4.0MPa）、工艺复杂、催化剂甲醇钠易水解堵塞管路且生产成本高；合成气一步法反应压力高（美国大于0.69MPa，国内4.0-5.0MPa）。
与其他传统方法相比，传统的甲醇脱氢法具有原料单一、反应条件温和、反应选择性和活性高、设备投资低等优点，因而受到广泛关注。但常用的催化剂最佳反应温度比较高（约280℃），不能满足低能耗的要求。
其他催化剂如钌[H. Liu, et al. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 2155-2163.]、钯[J. Lichtenberger, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 4902–4906]虽然反应温度较低，但是价格昂贵。
H. Kominami 等[H. Kominami, et al. Chem. Comm. 2010, 11, 426-429.]报道了使用锐钛矿型二氧化钛在紫外光条件下实现了从甲醇到甲酸甲酯的气相氧化脱氢反应，室温下（25℃）甲酸甲酯转化率近10%，选择性超过91%。杨绪壮等报道利用负载的银催化剂在液相条件下实现甲醇到甲酸甲酯的转化[Xuzhuang Yang, et al. Catalysis Communications. 2014,43,192-196]。
发明内容
本发明的目的主要是提供一种反应温度在10-80℃，在气相和光照条件下能够将甲醇部分氧化制甲酸甲酯的高效二氧化钛负载的纳米金Au-TiO2光催化剂制备方法及应用。
本发明首次将Au-TiO2光催化剂用于甲醇气相光催化部分氧化制甲酸甲酯反应。实验结果表明，催化剂具有较高的甲醇转化率和甲酸甲酯选择性。在实验温度范围内和光照条件下，甲醇转化率达到60-80%以上，甲酸甲酯选择性达到75-95%以上。
本发明的催化剂Au-TiO2由1-5的金和95-99%（摩尔比）的二氧化钛构成，二氧化钛晶型为锐钛矿型或锐钛矿与少量（低于25%）金红石混相构成。
本发明的制备方法是采用化学还原法制备。
制备方法如下：
（1）取一定量的氯金酸与蒸馏水配置成0.001 mol/l的氯金酸水溶液；
（2）以Au:NaBH4=1:4（摩尔比）称取适量硼氢化钠，溶于预先冰浴冷却的蒸馏水中；
（3）称取一定量的二氧化钛超声分散于步骤（2）配制的硼氢化钠水溶液中，保持冰浴冷却继续搅拌；
（4）将步骤（1）配制的氯金酸水溶液逐滴加入到步骤（3）得到的混合溶液中，同时剧烈搅拌直到反应完成。停止搅拌并且静置24 h；
（5）离心分离，洗涤，50℃下干燥，400℃煅烧1 h后得到催化剂。
本发明制备的催化剂比表面积与二氧化钛前体的比表面积接近，一般在50-300 m2/g。
如上所述的二氧化钛可以是商用混相二氧化钛P25、商用锐钛矿型二氧化钛ST-01、自制锐钛矿型或锐钛矿与金红石的混相二氧化钛。
如上所述的可溶性金盐可以是氯金酸、醋酸金、氯化金。
本发明的催化剂应用于气相甲醇光催化部分氧化制甲酸甲酯反应方法如下：
催化剂粉末喷涂在固体表面上，该固体可以是玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷,光源为紫外光或太阳光，反应温度为10-80℃,甲醇/氧气摩尔比例为1-6,甲醇体积含量为1-3%，氮气为平衡气，反应空速为100-400 l﹒g-1﹒h-1。
本发明与已有技术相比具有以下创新与特点：
首次将Au-TiO2催化剂用于气相光催化甲醇部分氧化制甲酸甲酯反应；
催化反应温度为10-80℃,是目前甲醇气相氧化制甲酸甲酯工艺中反应温度最低操作条件。
附图说明：
图1为制备的Au-TiO2光催化剂的固体紫外可见光谱（UV-Vis）图；
图2为制备的Au-TiO2光催化剂的X射线衍射（XRD）图谱；
图3为制备的Au-TiO2光催化剂的透射电子显微镜（TEM）图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，本发明包括但不限于下面的实施例。
称取0.025 g NaBH4，将其溶于100 ml预先冰浴冷却的蒸馏水中, 称取0.5 g P25二氧化钛粉末超声分散于上述溶液中。在剧烈搅拌下将量取的164 ml 0.001 mol/l HAuCl4水溶液滴加到上述溶液中，停止搅拌并且静置24 h，离心分离，洗涤，50℃下真空干燥6 h，400℃下煅烧1 h即得2.56% Au-TiO2光催化剂。以类似的方法，改变加入P25的量，可以制备不同摩尔比的Au-TiO2催化剂。
将上述方法制备的2.56% Au-TiO2光催化剂喷涂在玻璃基底上，并将涂有催化剂的玻璃基底安放在光催化反应器中，通入反应原料气并打开紫外灯开始反应，利用气相色谱检测反应产物成份。催化剂用量0.02 g，反应温度10-80oC，原料气组成1%甲醇，0.5%氧气，98.5%氮气，原料气流量50 ml/min,空速150 l﹒g-1﹒h-1。
以上催化剂进行光催化性能评价结果显示，该催化剂的甲醇转化率为70%，甲酸甲酯的选择性达90%。该催化剂对甲醇转化率和甲酸甲酯选择性高，反应稳定性好，是优良的光催化氧化甲醇制甲酸甲酯催化剂。
Claims (5)
1.一种气相光催化部分氧化甲醇制备甲酸甲酯的方法，其特征在于催化剂的组成、制备方法和反应条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于二氧化钛负载的纳米金为光催化剂，二氧化钛和纳米金颗粒均为活性组分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于催化剂中二氧化钛为锐钛矿型或锐钛矿与少量金红石的混相结构，金的摩尔分数为1-5%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于催化剂的制备方法，以二氧化钛为载体，采用液相还原方法，在适量的经冰浴冷却的硼氢化钠水溶液中加入二氧化钛，超声混匀后不断搅拌下，逐滴加入适量0.001 mol/l的氯金酸水溶液，滴加完成后停止搅拌静置24 h，离心分离，用蒸馏水、乙醇洗涤，50℃下干燥，400℃下煅烧1 h得到Au-TiO2光催化剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于催化反应条件，反应温度为10-80℃，紫外光照射，原料气中甲醇体积含量为1-3%，甲醇/氧气比为CH3OH: O2=1:1-6:1，平衡气为氮气，空速100-400 l﹒g-1﹒h-1。
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