CN105478144A - 一种表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
一种表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂及其制备方法与应用，将钨源、硫源、还原剂、离子液体和去离子水按照一定的顺序和方法配制成初始反应混合物，然后在密封的高压反应釜里水热条件下晶化，晶化产物经过滤、洗涤、干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。本发明在合成体系中使用了离子液体，所制备的纳米二硫化钨具有很好的表面双亲性，在极性、非极性的催化反应体系中均具有极好的分散性和催化活性。本发明提供的纳米二硫化钨在煤焦油、重油、超重油、渣油、页岩油等重质油的悬浮床加氢脱沥青、加氢脱硫、加氢脱氮、芳烃加氢等反应中表现了极好的催化活性，在光电转换、光催化水制氢等反应中具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面双亲纳米硫化钨催化剂及其制备方法与应用，属于纳米材料的合成及催化应用领域。
背景技术
悬浮床加氢工艺是重质非常规油(渣油、重油/超重油、页岩油、煤焦油重组分、砂岩油、油砂沥青等)加氢制备液体燃料油的先进技术。悬浮床加氢工艺要求催化剂具有高活性、高分散性、高稳定性、良好经济性，制备适用于悬浮床加氢工艺的催化剂是一个具有挑战性的课题。
二硫化钨是一种具有类石墨烯结构的层状材料，在催化、微电子、半导体等领域表现了良好的应用。担载型的二硫化钨催化剂在石油加工领域一直被用作加氢催化剂，应用于加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱芳、加氢脱氧和加氢脱金属等反应(ChianelliR.,Catal.Today,2009,147,275-286)。非担载型二硫化钨是一种非常有望适用于悬浮床工艺重质油加氢制备清洁燃料的催化剂。
目前二硫化钨的制备方法主要有高温硫化法、前驱体分解法、溶剂热法、电化学沉积法、模板法等(WangS.,Materials,2010,3,401-433)。但是目前这些研究方法制备的硫化钨催化剂，要么是水溶性的，要么是油溶性的。由于重质油组成非常复杂，同时含有极性和非极性物质，单一表面相亲性的二硫化钨在其中的分散性不是很理想。因此利用温和的溶液法通过化学合成有表面双亲的纳米二硫化钨催化剂是提高其分散性的关键。
CN200910226642.2公开了一种单分散二硫化钨纳米片的制备方法，以氧化钨和硫为原料，通过球磨混合活化之后，在保护气氛中在600-700℃下恒温退火30-120min，在恒温退火过程中，预先前置部分硫粉作为补充硫源，补充硫粉与反应混合物的质量比在0.05-10之间，然后在保护气氛中随炉冷却至250℃以下后，即可制得单分散二硫化钨纳米片。该发明通过简单有效的化学合成方法制备了大量的单分散片状二硫化钨纳米材料，方法简单快捷，生产成本低，其能在润滑和催化方面广泛应用。
CN201110394729.8公开了一种染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用。染料敏化太阳能电池对电极通过以下步骤制成：二硫化钨微粒或二硫化钼微粒分散于有机溶剂中，得A体系；TiO2纳米晶颗粒、ZnO纳米晶颗粒、SnO2纳米晶颗粒、碳纳米颗粒和碳纳米管中的至少一种分散于有机溶剂中，得B体系；乙基纤维素或羧甲基纤维素溶于有机溶剂中，得C体系；将A、B、C体系混合，得均匀分散浆料D，将浆料D涂覆于导电基底表面，经高温烧结制得对电极。该发明提供的对电极对氧化还原电解质I3-/I-的氧化还原反应具有良好的催化性能，且价格低，显著降低了染料敏化太阳能电池的生产成本。
CN201110106010.X公开了一种二硫化钨纳米管的制备方法，以(NH4)2WS4为原料，包括模板的制备、浸渍、热解和分离，其特征是将AAO模板浸渍于浓度为0.2-0.4mol/L的(NH4)2WS4的DMSO溶液中不少于半h，取出模板挥去溶剂DMSO后置于还原气氛中在500-600℃下煅烧1-2h，冷却后自AAO模板上分离得到WS2纳米管。该方法工艺简单，制备得到的WS2纳米管直径均匀一致且可控。
CN201310344678.7公开了一种二硫化钨的制备方法，该发明包括：将钨酸与三硫化铵溶液进行混匀，得到混匀物；将所述混匀物放进硫化设备中进行抽真空，待抽真空完成后，在该硫化设备中进行第一阶段加热，所述第一阶段加热的加热温度为：650℃至750℃，加热时长为：50分钟至70分钟；在第一阶段加热结束后，进行第二阶段加热，所述第二阶段加热的加热温度为：1350℃至1400℃，加热时长为：110分钟至130分钟；在第二阶段加热结束后，得到二硫化钨。该发明的二硫化钨的制备方法的工艺流程短、使用设备简单，同时降低了对环境的污染。
CN200810017530.1公开了一种具有富勒烯结构的纳米二硫化钨的制备方法，其制备过程是采用两步法合成：首先通过酸化钨酸钠，或者通过钨酸钠进行阳离子交换，获得钨酸溶胶，在钨酸溶胶中添加有机分散剂，在还原炉中采用氢气还原获得纳米WO3-x。其次，将纳米WO3-x与单质硫混合后在密闭的金属容器中进行自加压反应，获得具有富勒烯结构纳米二硫化钨粉体材料。该发明合成的富勒烯结构纳米二硫化钨颗粒直径为5-100纳米，二硫化钨颗粒中部分纳米管或棒状物质截面直径在5-100nm，长度可达几十微米以上。这种具有富勒烯结构的纳米材料是一种新型的固体润滑剂。该发明工艺简单，生产效率高，产品成本低，适合宏量制备富勒烯结构纳米二硫化钨。
CN94119657.7公开了一种用于润滑剂的超细鳞状晶体二硫化钨的制备方法，该发明的方法是以四硫代钨酸铵为原料，在隔绝空气的条件下，加热分解四硫代钨酸铵，加热时以100-200℃/h的温度梯度从室温升至700-1200℃，并在此温度下保温24-48h后，再以30-110℃/h的温度梯度降至室温，出料粉碎，该法的工艺设备简单，不污染环境，操作安全可靠，可生产出质量稳定高纯超细的，晶体结构为六方晶系的二硫化钨。
CN02117835.6公开了一种重油悬浮床加氢裂化新工艺，虽然该工艺所用的催化剂使用了以铁-镍-锰-钨-钴等多金属水溶性盐类复配而成的催化剂，却并未提及这些水溶性前驱物分解所生成的硫化物是水溶性或油溶性的。
离子液体是指在室温或室温附近(低于100℃)呈液体状态的完全由体积相对较大、对称性较差的有机阳离子和体积较小的无机阴离子组合而成的盐，由于正负电荷数目相等，因而整体上显电中性。通常也称为室温离子液体。离子液体具有极性可调、溶解性能良好、液程范围宽、热稳定性高和几乎可以忽略的蒸汽压等独特的优点，在萃取、催化、有机合成以及无机材料制备等领域取得了广泛的应用。(T.Welton,Chem.Rev.,1999,99,2071；R.D.Rogers,K.D.Seddon,Nature,2003,302,792.)
CN03115271.6公开了一种室温离子液体的制备方法。其特征是采用目标产物即室温离子液体为反应介质，以烷基吡啶卤化铵或烷基咪唑卤化铵和含氟盐为原料，制备由烷基吡啶阳离子或烷基咪唑阳离子和含氟阴离子组成的室温离子液体。该方法操作简便，反应条件温和，产品质量好，并且反应过程环境友好，是一种绿色室温离子液体的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下方式实现：
采用溶液化学法，以离子液体为助剂制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂，包括以下步骤：(1)向去离子水中加入钨源，搅拌均匀配置成一定浓度的溶液；(2)向上述混合物中加入硫源，搅拌均匀，在一定温度下反应一定时间；(3)向上述混合物中加入还原剂，搅拌均匀；(4)向上述混合物中加入离子液体，搅拌均匀，配置成初始反应混合物；(5)将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在一定温度下晶化一定时间；(6)晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
上述的方法中，步骤(1)所述的钨源为钨酸、钨酸钠、钨酸钾、钨酸铵、钨酸锂、氯化钨、硝酸钨、乙酸钨等可溶性含钨化合物的一种或任意二种以上，优选钨酸、钨酸钾和氯化钨中的一种或二种或三种。
上述的方法中，步骤(2)所述的硫源为硫化氢、硫化铵、硫化钠、硫化钾等可溶性含硫化合物的一种或二种以上，优选硫化钾和硫化氢的一种或二种。
上述的方法中，步骤(2)所述的反应温度为40-95℃，优选反应温度为45-80℃；反应时间为0.5-24h，优选反应时间为0.8-18h。
上述的方法中，步骤(3)所述的还原剂为盐酸羟胺、水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、聚乙烯亚胺的一种或二种以上，优选硼氢化钠和盐酸羟胺的一种或二种。
上述的方法中，步骤(4)所述的离子液体阳离子为烷基咪唑、烷基吡啶、季铵离子、季磷离子、胍、吗啉、胆碱、苯并咪唑、苯并三唑中的一种或任意二种以上，阴离子为卤素离子、四氟硼酸根、六氟磷酸根、硝酸根、硫酸根、羧酸根、磷酸根、碳酸根中的一种或二种以上。
上述的方法中，步骤(4)所述初始反应混合物中钨的浓度为0.005-2mol/L，优选0.008-1.6mol/L。
上述的方法中，步骤(4)所述初始反应混合物中S：W(摩尔比)＝1.2-6:1，优选1.5-5:1；还原剂：W(摩尔比)＝1-4:1，优选1.2-3:1；离子液体：W(摩尔比)＝0.01-25:1，优选0.1-15:1。
上述的方法中，步骤(5)所述的晶化温度为40-200℃，优选晶化温度为60-180℃；晶化时间为1-240h，优选晶化时间为4-180h。
本发明在合成体系中使用了离子液体，所制备的纳米二硫化钨具有很好的表面双亲性，在极性、非极性的催化反应体系中均具有极好的分散性和催化活性。本发明提供的纳米二硫化钨在煤焦油、重油、超重油、渣油、页岩油中的一种或任意二种以上的悬浮床加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱芳烃、加氢脱沥青反应的一种或任意二种以上中表现了极好的催化活性，在光电转换、光催化水制氢等反应中具有良好的应用前景。
附图说明
图1是实施例8制备二硫化钨的XRD谱图。
图2是实施例9制备二硫化钨的TEM照片。
具体实施方式
以下的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于以下的实施例。尽管参照一下实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对下述各实施例所表述的技术方案进行修改，或者对其中部分特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
实施例1
本实施例说明使用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的钨酸钠，使钨的浓度达到0.01mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钠水溶液，使硫化钠：钨酸钠(摩尔比)达到2.5:1，搅拌至均匀，在80℃反应12h；向上述混合物中加入盐酸羟胺，使盐酸羟胺：钨酸钠(摩尔比)达到4:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，使1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐：钨酸钠(摩尔比)达到24:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在200℃晶化4h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例2
本实施例说明使用1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的钨酸钾，使钨的浓度达到0.015mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钾水溶液，使硫化钾：钨酸钾(摩尔比)达到5:1，搅拌至均匀，在40℃反应24h；向上述混合物中加入硼氢化钾，使硼氢化钾：钨酸钾(摩尔比)达到3:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，使1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐：钨酸钾(摩尔比)达到18:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在180℃晶化22h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例3
本实施例说明使用1-戊基-3-甲基咪唑溴盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的硝酸钨，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化氢水溶液，使硫化氢：硝酸钨(摩尔比)达到2:1，搅拌至均匀，在50℃反应20h；向上述混合物中加入聚乙烯亚胺，使聚乙烯亚胺：硝酸钨(摩尔比)达到2:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体1-戊基-3-甲基咪唑溴盐，使1-戊基-3-甲基咪唑溴盐：硝酸钨(摩尔比)达到0.01:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在160℃晶化44h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例4
本实施例说明使用1-异丙基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的乙酸钨，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化铵水溶液，使硫化铵：乙酸钨(摩尔比)达到2:1，搅拌至均匀，在60℃反应6h；向上述混合物中加入硼氢化钠，使硼氢化钠：乙酸钨(摩尔比)达到3:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体1-异丙基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐，使1-异丙基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐：乙酸钨(摩尔比)达到0.5:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在140℃晶化68h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例5
本实施例说明使用N-丙基吡啶四氟硼酸盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的氯化钨，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钾水溶液，使硫化钾：氯化钨(摩尔比)达到4:1，搅拌至均匀，在95℃反应0.5h；向上述混合物中加入硼氢化钠，使硼氢化钠：氯化钨(摩尔比)达到4:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体N-丙基吡啶四氟硼酸盐，使N-丙基吡啶四氟硼酸盐：氯化钨(摩尔比)达到10:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在120℃晶化93h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例6
本实施例说明使用N-乙基吡啶溴盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的钨酸，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钾水溶液，使硫化钾：钨酸(摩尔比)达到3:1，搅拌至均匀，在85℃反应2h；向上述混合物中加入硼氢化钾，使硼氢化钾：钨酸(摩尔比)达到2.5:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体N-乙基吡啶溴盐，使N-乙基吡啶溴盐：氯化钨(摩尔比)达到17:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在100℃晶化170h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例7
本实施例说明使用N-丙基吡啶溴盐制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的钨酸铵，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钠水溶液，使硫化钠：钨酸铵(摩尔比)达到2.8:1，搅拌至均匀，在75℃反应4h；向上述混合物中加入水合肼，使水合肼：钨酸(摩尔比)达到3:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体N-丙基吡啶溴盐，使N-丙基吡啶溴盐：氯化钨(摩尔比)达到13:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在80℃晶化140h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
实施例8
本实施例说明使用四丁基溴化铵制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入一定量的钨酸锂，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化钾水溶液，使硫化钾：钨酸锂(摩尔比)达到2.2:1，搅拌至均匀，在85℃反应0.8h；向上述混合物中加入盐酸羟胺，使盐酸羟胺：钨酸锂(摩尔比)达到3.5:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入离子液体四丁基溴化铵，使四丁基溴化铵：钨酸锂(摩尔比)达到7:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在60℃晶化240h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。图1给出了实施例8制备的二硫化钨的XRD，可以看到谱峰宽化明显，表面样品尺寸在纳米级别。
实施例9
本实施例说明用等摩尔比混合的N-异丙基吡啶溴盐和四丁基溴化铵混合离子液体制备表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的方法。
向500mL去离子水中加入等物质的量的钨酸和氯化钨，使钨的浓度达到0.5mol/L，搅拌至均匀；向上述混合物中加入硫化氢水溶液，使硫化氢：钨(摩尔比)达到2.7:1，搅拌至均匀，在95℃反应2.2h；向上述混合物中加入硼氢化钠，使硼氢化钠：钨(摩尔比)达到3.7:1，搅拌至均匀；向上述混合物中加入混合离子液体，使离子液体：钨(摩尔比)达到14:1，搅拌至均匀，配置成初始反应混合物；将初始反应混合物转移至高压合成釜中，在80℃晶化200h。晶化结束后，将反应物冷却至室温，过滤、去离子水洗涤并干燥后得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。图2给出了实施例9所制备的二硫化钨的TEM照片，可以看到样品为直径50nm的纳米棒。
实施例10-18
以下实施例所使用的原料为山东中低温煤焦油>320℃残渣，性质示于表1。实施例10-18采用高压悬浮床反应工艺，分别对实施例1-9所制备的催化剂进行了催化活性测试，结果在表2中示出。
表1克拉玛依超稠油常压渣油性质
表2悬浮床高压加氢评价结果
可以看到，本发明提供的表面双亲的纳米硫化钨在煤焦油重组分加氢转化制备液体燃料中具有极高的加氢活性和抑制结焦的优点。在催化剂使用量(以二硫化钨计)≤300ppm情况下，沥青质脱除率>98％，产物中180-360℃馏分收率≮60％。
Claims (10)
1.一种表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)向去离子水中加入钨源、硫源，升温进行反应；
(2)向上述混合物中加入还原剂、离子液体，配置成初始反应混合物；
(3)将初始反应混合物转移至高压合成釜中晶化；
(4)晶化结束后，将反应物冷却至室温，分离固体产物得到表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述的钨源为可溶性含钨化合物钨酸、钨酸钠、钨酸钾、钨酸铵、钨酸锂、氯化钨、硝酸钨、乙酸钨的一种或任意二种以上，优选钨酸、钨酸钾和氯化钨中的一种或二种或三种；所述的硫源为可溶性含硫化合物硫化氢、硫化铵、硫化钠、硫化钾的一种或二种或多种，优选硫化钾和硫化氢中的一种或二种。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述的反应温度为40-95℃，优选反应温度为45-80℃；反应时间为0.5-24h，优选反应时间为0.8-18h。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的还原剂为盐酸羟胺、水合肼、硼氢化钠、硼氢化钾、聚乙烯亚胺的一种或二种或多种，优选硼氢化钠和盐酸羟胺中的一种或二种；所述的离子液体阳离子为烷基咪唑、烷基吡啶、季铵离子、季磷离子、胍、吗啉、胆碱、苯并咪唑、苯并三唑中的一种或任意二种以上，阴离子为卤素离子、四氟硼酸根、六氟磷酸根、硝酸根、硫酸根、羧酸根、磷酸根、碳酸根中的一种或任意二种以上。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述初始反应混合物中钨的浓度为0.005-2mol/L，优选0.008-1.6mol/L。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述初始反应混合物中S：W(摩尔比)＝1.2-6:1，优选1.5-5:1；还原剂：W(摩尔比)＝1-4:1，优选1.2-3:1；离子液体：W(摩尔比)＝0.01-25:1，优选0.1-15:1。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(5)所述的晶化温度为40-200℃，优选晶化温度为60-180℃；晶化时间为1-240h，优选晶化时间为4-180h。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：分离固体产物的过程为过滤、去离子水洗涤、干燥，得到产物。
9.一种权利要求1-8任一所述制备方法制备的表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂。
10.一种权利要求9所述的表面双亲纳米二硫化钨加氢催化剂在煤焦油、重油、超重油、渣油、页岩油中的一种或任意二种以上的悬浮床加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱芳烃、加氢脱沥青反应的一种或任意二种以上中的应用。
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2014
- 2014-09-25 CN CN201410499954.1A patent/CN105478144B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105478144B (zh) | 2018-09-21 |
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