CN104741122A - 一种用于氧化脱硫的催化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于氧化脱硫的催化剂的制备方法，属于多孔炭负载纳米氧化铁材料技术领域。利用糖类、尿素和铁盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得铁盐均匀分布在混合液体中。之后，加热使得糖类碳化得到多孔炭，同时金属活性组分均匀分布在多孔炭中，随后在保护气或还原性气氛下高温热处理后，得到多孔炭负载纳米氧化铁复合材料。本发明可以用于负载众多纳米金属或氧化物材料，其尺寸为15-1000nm且单分散性高，通过调节合成条件，可以控制纳米金属或氧化物的组成、晶相以及担载量等。本发明还具有合成路线简单和成本低廉等优势，因此在工业催化、水处理和电化学等诸多方面拥有巨大的应用前景。

Description

一种用于氧化脱硫的催化剂的制备方法

技术领域

本发明提供了一种一步法制备金属改性多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，及其在氧化脱硫反应中的应用，属于多孔炭负载纳米氧化铁材料技术领域。

背景技术

纳米材料具有明显不同于块体材料和单个分子的独特性质，例如：表面效应、体积效应、凝子尺寸效应和宏观隧道效应等，使其在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和医药等方面都有广阔的应用前景。然而纳米粒子由于其高表面能，容易发生烧结和团聚，因此纳米材料往往需要载体，以保证其单分散性，同时降低烧结、团聚等发生的概率。多孔炭材料具有发达的孔隙结构，很大的比表面积，较多的表面化合物和很强的吸附能力，还拥有耐高温、耐酸碱、导电和传热等一系列的优点，因此是负载纳米粒子的良好载体。按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类，可将多孔炭中的孔道分为大孔（> 50 nm）、介孔（2-50 nm）以及微孔（< 2 nm）。多孔炭负载的纳米金属或氧化物材料在工业催化、水处理和电化学等诸多方面都具有广阔的应用前景。

在多孔炭担载纳米材料的制备方法方面，普遍采用的是直接浸渍法和共聚合法。直接浸渍法是将多孔碳材料直接浸渍于金属盐溶液中，然后经干燥和热处理得到多孔炭负载的纳米材料。Ryoo等[Joo S H, Choi S J, Oh I, et al. (2001) . Nature 412(6843): 169-172.]通过浸渍还原方法将铂纳米颗粒引入到有序介孔炭中，得到高度分散的粒径仅为3 nm的铂颗粒，使其有望在燃料电池领域有应用前景。浸渍法应用广泛，但是对于纳米粒子的粒径、组分和在载体中的分布缺乏有效的调控。共聚合法是指将金属盐和碳源灌注到多孔模板内，通过碳化和除模板从而得到多孔炭复合材料。Ding等[Ding J, Chan K Y, Ren J, et al.(2005). Electrochimica Acta 50(15): 3131-3141.]以SBA-15为模板、甲醇为碳源、Pt(NH₃)₄(NO₃)₂为金属盐，制备得到了有序介孔炭/铂复合材料，并研究了其对氧还原反应的电催化性能。然而，共聚合法的制备方法复杂繁琐，需要反复地灌注碳源和金属盐及去除模板，周期长、成本高，这无疑阻碍了该方法的规模化应用。

近年来，一些研究小组报道了采用自组装法简便地制备得到了多孔碳复合材料。Zhao等[Liu R., et al. (2007). Chemistry of Materials 20(3): 1140-1146.]以可溶性酚醛树脂为前驱体，通过有机-无机自组装获得有序介孔炭负载的TiO₂和TiC复合材料。Yao等[Yao J., et al. (2009). Carbon 47(2): 436-444.]以间苯二酚为碳源，直接制备得到了磁性可分离的有序介孔炭/Ni复合材料。Ji等[Ji Z., et al. (2009). Carbon 47(9): 2194-2199.]采用三组分共组装方法，制备了高比表面积的有序介孔碳/Ru复合材料，并研究了其对苯加氢反应的催化作用。该方法用于合成硅基材料已经很成熟，但是合成碳材料仍需进一步深入研究，而且该方法难以广泛适用于各种炭载金属/金属氧化物复合材料的制备。

随着世界范围环保要求日益严格，人们对石油产品质量要求也越来越苛刻，尤其是对燃烧后形成SO2、SO3继而与大气中水结合形成酸雾、酸雨严重影响生态环境和人们日常生活的硫化物含量限制。世界各国对燃油中的硫提出了越来越严格的限制。

表 1-1 欧盟汽油规格主要指标变化

项目	1993年	1998年	2000年	2005年	2009年
						汽车排放标准	欧Ⅰ	欧Ⅱ	欧Ⅲ	欧Ⅳ	欧Ⅴ
硫含量，%（质量分数） 不大于	0.1	0.05	0.015	0.005	0.001

表 1-2 我国汽油规格指标变化

项目	2000年	2003年	2005年	2010年	2014年
						硫含量，%（质量分数） 不大于	0.10	0.08	0.05	0.015	0.005

可见其中的硫含量作为一项很重要的指标被世界各国重视。随着时间的推移，各国都在控制燃油中的硫含量。以我国汽油规格指标变化为例，从2000年的含硫量不大于0.10，到2014年的0.050，硫含量要求整整减少了一半。

中国进口原油中约有70％为中烷基或环烷基原油，这部分原油最大特点是硫含量高。国外一般催化裂化汽油和重整汽油在汽油中的比例各占33％左右，其余为烷基化、异构化和醚化汽油。而中国催化裂化汽油比例为80％以上，直馏汽油3％～5％，烷基化、异构化和醚化汽油相当少。而成品汽油硫来源主要有2个：一是催化裂化汽油，其硫含量占成品汽油硫含量的90％～95％；二是直馏汽油，其硫含量占成品汽油硫含量的3％一5％左右。因此中国生产低硫汽油面临更大的挑战，开展汽油脱硫技术的研究与开发具有现实意义。

目前工业上采用的的加氢脱硫存在着，反应条件苛刻，对操作及设备要求较高，需要专门的催化剂，并且需要大量高纯度氢气，导致这种方法的脱硫成本很高，氧化脱硫有选择性好，反应条件温和，对原料的适应能力强，但是由于脱硫剂价格高昂限制了这种方法的推广应用。本项目致力于开发一种价格低廉，制备工艺简单的多空碳负载纳米金属材料作为石油脱硫的预处理材料，可以大大降低石油脱硫成本，解决目前氧化脱硫工艺过程中存在的问题。

总而言之，传统的多孔炭负载纳米材料的合成方法往往存在着合成路线长，模版剂成本高，后期处理污染严重等问题，因而难以实现大规模生产。碳载体的孔道结构，以及担载的金属或金属氧化物的尺寸、组分、晶相和担载量等参数很难同时得到控制。此外，传统合成方法由于制备方法的限制不能够广泛运用于各种纳米金属或氧化物的制备。因此，开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属或金属氧化物复合材料的制备方法，并能够在合成过程中控制碳载体的孔道结构以及纳米粒子的尺寸、组分、晶相和担载量等参数，对于该类材料的广泛应用必将产生重大的推动作用。

本发明提出了一种制备金属改性多孔炭负载纳米氧化铁复合材料的方法，以过氧化氢为氧化剂，利用氧化反应有效去除催化汽油中的噻吩和烷基噻吩。利用尿素衍生物、糖类和金属盐在一定温度下可形成均匀混合溶液的特性，经脱水碳化后原位形成多孔炭，随后经过高温热处理制备多孔炭负载的纳米氧化铁复合材料。本发明通过改变原料配比、反应时间和热处理温度等合成条件，可以得到担载量、粒径大小、晶相和组成同时可控的担载型纳米材料。整个工艺具有操作简单、绿色环保以及成本低廉等优点。用本方法制备的多孔炭负载纳米氧化铁复合材料催化剂可以去除催化汽油中20%～60%硫的含量。

发明内容

本发明的目的在于开发一种成本低，合成路线简单的多孔碳负载纳米氧化铁的催化剂。 本发明利用糖类、尿素和铁盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得铁盐均匀分布在混合液体中。之后，加热使得糖类碳化得到多孔炭，同时金属活性组分均匀分布在多孔炭中，随后在保护气或还原性气氛下高温热处理后，得到多孔炭负载纳米氧化铁复合材料。

本发明的具体实施步骤为：一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，按照下述步骤进行：

a）将糖类和尿素按100:1~1:10的质量比，糖类与铁盐按照100:1~1:10的质量比混合放在容器中，在100-220 ℃下，搅拌10-60 min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；

b）将步骤a）中得到的溶液在120-250 ℃温度下热处理8-48h，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；该热处理过程可在常压或密闭的反应釜中进行；

c）将步骤b）中制得的黑褐色固体在保护气氛围下，于250-1100 ℃下热处理2-24 h，得到多孔炭负载的纳米Fe₂O₃材料；

d）将步骤c）中得到的样品A在500 ℃下，还原性气体条件下热处理1 h，得到多孔炭负载纳米Fe₃0₄材料。

e)将步骤d)中制得的纳米氧化铁与催化汽油按照60:1000的质量比混合放在容器中并加热至60℃搅拌5-10分钟，使得纳米氧化铁脱硫剂与催化汽油均匀混合； f)向步骤e）中的混合汽油按照催化汽油与过氧化氢1000:4的质量比向容器中中加入过氧化氢，继续保持60℃搅拌1h,然后静置3h，使脱硫废渣沉降至容器底部，反应结束。 g)将步骤f）所得静置后的汽油的上层油液倒入另一洁净容器，再用清水洗涤2-3次并分液，即可得到脱硫后汽油。

其中步骤（a）中糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种；

其中步骤（a）中糖类与尿素的质量比为80:1~1:20；步骤（b）中糖类与铁盐的质量比为100:1~1:10；

其中步骤（c）中所述的保护气为氮气、氩气、氦气中的一种；步骤（d）中所述的还原性气体为含氢气或一氧化碳体积分数为5 %~10 %的混合气，平衡气为氮气或氩气。

本发明利用糖类、尿素和含铁元素金属盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得金属盐均匀分布在混合液体中。之后，利用原位合成的方法，在高温下使得糖类脱水碳化，同时金属组分均匀分布在碳载体中，最后通过高温热处理得到炭负载纳米氧化铁。本发明可以用于负载众多纳米金属或氧化物材料，其尺寸为15-1000 nm且单分散性高，通过调节合成条件，可以控制纳米金属或氧化物的组成、晶相以及担载量等。此外，碳载体的孔道尺寸也可以通过原料配比、反应压力以及温度、时间等条件进行控制，孔径分布从0.1 nm-10 μm。该合成方法属于无水体系，可以避免传统合成方法由于金属盐溶液水解而造成的合成困难。同时，利用该催化剂使用羟基化的工艺，苯酚联产得到苯二酚，具有较高的转化率和选择性。此外，本发明还具有合成路线简单和成本低廉等优势，因此在工业催化、水处理和电化学等诸多方面拥有巨大的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制得的多孔炭负载氧化铁的TEM图。

图2为实施例1制得的多孔炭负载氧化铁的XRD图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1：多孔炭负载纳米氧化铁

合成原料：葡萄糖、尿素、Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O（硝酸铁）

（1）称取100 g葡萄糖、1 g尿素和1 g Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O于一个500 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至220 ℃，并持续搅拌60 min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）将（1）中所述熔融液体中，取出一部分溶液放进120 ℃高温反应釜中，反应48 h样品A得到黑褐色膨松固体。

（3）用研钵将（2）中得到的样品研碎，放于坩埚中，然后在N₂保护下1100 ℃热处理1 h，得到多孔炭负载纳米Fe₂O₃材料。

（4）将（3）中得到的样品A在500 ℃下，5% H₂/N₂条件下热处理1 h，得到多孔炭负载纳米Fe₃0₄材料。

（5）将步骤（4）中制得的纳米氧化铁与催化汽油按照60:1000的质量比混合放在容器中并加热至60℃搅拌5分钟，使得纳米氧化铁脱硫剂与催化汽油均匀混合； （6）向步骤（5）中的混合汽油按照催化汽油与过氧化氢1000:4的质量比向容器中中加入过氧化氢，继续保持60℃搅拌1h,然后静置3h，使脱硫废渣沉降至容器底部，反应结束。 （7）将步骤（6）所得静置后的汽油的上层油液倒入另一洁净容器，再用清水洗涤2次并分液，即可得到脱硫后汽油。表征本实验所得本方法制得的多孔炭负载纳米氧化铁能脱掉汽油中20%的硫含量。图1为实施例1制得的多孔炭负载氧化铁的TEM图。图2为实施例1制得的多孔炭负载氧化铁的XRD图。

实施例2：多孔炭负载纳米氧化铁

合成原料：葡萄糖、尿素、Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O（硝酸铁）

（1）称取1 g葡萄糖、10 g尿素和10 g Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O于一个500 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至100 ℃，并持续搅拌10min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）将（1）中所述熔融液体中，取出一部分溶液放进250 ℃烘箱中，反应8 h样品A得到黑褐色膨松固体。

（3）用研钵将（2）中得到的样品研碎，放于坩埚中，然后在N₂保护下250 ℃热处理18 h，得到多孔炭负载纳米Fe₂O₃。

（4）将（3）中得到的样品A在500 ℃下，5% H₂/N₂条件下热处理6 h，得到多孔炭负载纳米Fe₃0₄材料。

（5）将步骤（4）中制得的纳米氧化铁与催化汽油按照60:1000的质量比混合放在容器中并加热至60℃搅拌10分钟，使得纳米氧化铁脱硫剂与催化汽油均匀混合； （6）向步骤（5）中的混合汽油按照催化汽油与过氧化氢1000:4的质量比向容器中中加入过氧化氢，继续保持60℃搅拌1h,然后静置3h，使脱硫废渣沉降至容器底部，反应结束。 （7）将步骤（6）所得静置后的汽油的上层油液倒入另一洁净容器，再用清水洗涤3次并分液，即可得到脱硫后汽油。表征本实验所得本方法制得的多孔炭负载纳米氧化铁能脱掉汽油中60%的硫含量。

实施例3：多孔炭负载纳米氧化铁

合成原料：葡萄糖、尿素、Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O（硝酸铁）

（1）称取10 g葡萄糖、1 g尿素和0.1 g Fe(NO₃)_{3 ·}9H₂O于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至100 ℃，并持续搅拌60 min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）将（1）中所述熔融液体中，取出一部分溶液放进120 ℃烘箱中记为样品A，另外一部分溶液加入高温反应釜中放进120 ℃烘箱中记为样品B，反应48 h样品A得到黑褐色膨松固体，样品B得到黑褐色致密固体。

（3）用研钵将（2）中得到的样品A和样品B分别研碎，并分放于两个坩埚中，然后在N₂保护下550 ℃热处理7小时，得到多孔炭负载纳米Fe₂O₃。XRD测试显示样品A和B的Fe₂O₃粒径大小分别为28 nm和30 nm。BET测试显示，样品A的孔径分布为50 nm-10 μm，样品B的孔径分布为5-50 nm,比表面积为354m²/g。

（4）将（3）中得到的样品A在500 ℃下，5%H₂/N₂条件下热处理6 h，得到多孔炭负载纳米Fe₃0₄材料，XRD测试显示Fe₃0₄粒径大小为34 nm。

（5）将步骤（4）中制得的纳米氧化铁与催化汽油按照60:1000的质量比混合放在容器中并加热至60℃搅拌10分钟，使得纳米氧化铁脱硫剂与催化汽油均匀混合； （6）向步骤（5）中的混合汽油按照催化汽油与过氧化氢1000:4的质量比向容器中中加入过氧化氢，继续保持60℃搅拌1h,然后静置3h，使脱硫废渣沉降至容器底部，反应结束。 （7）将步骤（6）所得静置后的汽油的上层油液倒入另一洁净容器，再用清水洗涤3次并分液，即可得到脱硫后汽油。表征本实验所得本方法制得的多孔炭负载纳米氧化铁材料使汽油的硫含量从2000ppm降至800ppm。

Claims (6)

1.一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：

a）将糖类和尿素按100:1~1:10的质量比，糖类与铁盐按照100:1~1:10的质量比混合放在容器中，在100-220℃下，搅拌10-60 min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；

b）将步骤a）中得到的溶液在120-250℃温度下热处理8-48h，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；该热处理过程可在常压或密闭的反应釜中进行；

c）将步骤b）中制得的黑褐色固体在保护气氛围下，于250-1100℃下热处理2-24h，得到多孔炭负载的纳米纳米Fe₂O₃材料；

d）将步骤c）中得到的样品A在500 ℃下，还原性气体条件下热处理1 h，得到多孔炭负载纳米Fe₃0₄材料；

e)将步骤d)中制得的纳米氧化铁与催化汽油按照60:1000的质量比混合放在容器中并加热至60℃搅拌5-10分钟，使得纳米氧化铁脱硫剂与催化汽油均匀混合；

f)向步骤e）中的混合汽油按照催化汽油与过氧化氢1000:4的质量比向容器中中加入过氧化氢，继续保持60℃搅拌1h,然后静置3h，使脱硫废渣沉降至容器底部，反应结束；

g)将步骤f）所得静置后的汽油的上层油液倒入另一洁净容器，再用清水洗涤2-3次并分液，即可得到脱硫后汽油。

2.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于其中步骤（a）中糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于其中步骤（a）中糖类与尿素的质量比为80:1~1:20。

4.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于其中其中步骤（c）中所述的保护气为氮气、氩气、氦气中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于其中步骤（b）中糖类与铁盐的质量比为100:1~1:10。

6.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米氧化铁材料的方法，其特征在于其中步骤（d）中所述的还原性气体为含氢气或一氧化碳体积分数为5%~10%的混合气，平衡气为氮气或氩气。