CN105597741A - 用于co合成草酸二甲酯的催化剂及其制备方法及用途 - Google Patents
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Abstract
一种用于CO合成草酸二甲酯的催化剂，所述催化剂由载体和双金属纳米颗粒组成，所述载体为结晶形态的Al2O3，所述Al2O3比表面积为20-200m2/g，孔容为0.5-1.5m2/g，孔径为3-20nm，所述双金属纳米颗粒是由金属铅与金属M组合而成的活性组分，所述M为金属元素Fe，Ni，Co，Mn中的任何一种。本发明的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂的优点在于：通过预先合成Pd、M的双金属合金纳米颗粒和使用比表面积相对比较高的θ-Al2O3，提高了Pd和M在载体上的分散度，提高了催化剂的时空产率和选择性，提高合成效率，同时本催化剂使用要求低，能在低温中使用，降低生产能耗，节约生产成本，本发明的制备方法工序简单、制备方便，成品催化剂使用方便，值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及草酸二甲酯的生产领域，尤其指一种用于CO合成草酸二甲酯的催化剂及其制备方法及用途。
背景技术
现有一种申请号为CN201110219298.1名称为《CO偶联合成草酸二甲酯的过程中草酸二甲酯的提纯方法》的中国发明专利公开了一种CO偶联合成草酸二甲酯的过程中提纯草酸二甲酯的方法，含草酸二甲酯的混合物流进入精馏塔，塔顶分离得到不凝气，塔釜得到草酸二甲酯产品，所述精馏塔的塔板数为5～50块，塔釜温度为100～300℃，塔顶温度为-10～100℃，回流比为0.2～2.0，操作压力为50～500kPa。该发明中利用单个精馏塔就可实现偶联反应器的出料物流中草酸二甲酯的分离提纯，工艺简化，降低能耗、物耗、设备投资，降低了生产成本，且得到的草酸二甲酯的纯度高，回收率高，取得了较好的技术效果。但其缺点是，该方法温度要求较高，成本也因此较高，而且提纯效率仍有提高空间，所以其方法还有待于改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种能提高合成效率并能在低温中使用的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种工序简单、制备方便的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂的制备方法。
本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种用于CO合成草酸二甲酯的催化剂的用途。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：本用于CO合成草酸二甲酯的催化剂，其特征在于：所述催化剂由载体和双金属纳米颗粒组成，所述载体为结晶形态的Al2O3，所述Al2O3比表面积为20～200m2/g，孔容为0.5～1.5m2/g，孔径为3～20nm，所述双金属纳米颗粒是由金属铅与金属M组合而成的活性组分，所述M为金属元素Fe，Ni，Co，Mn中的任何一种。
作为改进，所述双金属纳米颗粒中的金属铅和M各占载体重量的0.1％～1.0％，所述百分比为重量百分比。
进一步改进，所述金属铅与金属M的组合比为：Pd∶M＝1～2∶2～1。
作为改进，所述载体比表面积为：50～100m2/g。
作为改进，所述双金属纳米颗粒中的金属铅占载体重量的0.2％～0.5％，M占载体重量的0.1％～0.3％；所述百分比为重量百分比。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：上述催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、Pd的盐酸盐或Pd的乙酰丙酮络合物与M的盐酸盐或M的乙酰丙酮络合物，溶解在多元醇中，再加入稳定剂，在100～250℃下反应得到PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，然后离心PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，收集PdM纳米颗粒，然后将PdM纳米颗粒分散放入到低沸点的溶剂中；
二、将载体浸渍在置有PdM双金属纳米颗粒的低沸点的溶剂中，然后用低温氮气吹扫除去低沸点溶剂，将除去低沸点溶剂后的混合物依次进行干燥、焙烧、还原，即得到催化剂成品。
作为改进，所述步骤一中，所述多元醇为乙二醇。
作为改进，所述步骤一中，所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述低沸点的溶剂为甲醇或乙醇。
作为改进，所述步骤二中，所述干燥在温度为60～120℃范围内进行，干燥时间为2～10小时；所述焙烧在温度为200～550℃的空气气氛中进行，焙烧时间为2～10小时；所述还原在温度为300～500℃范围内进行，还原剂为氢气和氮气的混合气，其中氢气在混合气中点体积百分比的1～4％，还原时间为2～10小时。
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：上述催化剂的用途，其特征在于，将所述催化剂放置于原料气中，所述原料气为CO、亚硝酸甲酯和氮气的混合气，所述混合气中CO的体积百分比为5～25％，亚硝酸甲酯的体积百分比为10～18％，其余为氮气，将所述原料气通入温度为110～115℃，压力为0.2～0.5MPa的制备容器中反应，所述制备容器中原料气反应空速为3000～5000h-1。
与现有技术相比，本发明的优点在于，通过预先合成Pd、M的双金属合金纳米颗粒和使用比表面积相对比较高的θ-Al2O3(是指结晶状态的三氧化二铝)，提高了Pd和M在载体上的分散度，提高了催化剂的时空产率和选择性，提高合成效率，同时本催化剂使用要求低，能在低温中使用，降低生产能耗，节约生产成本，本发明的制备方法工序简单、制备方便，成品催化剂使用方便，值得推广。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂由载体和双金属纳米颗粒组成，所述载体为结晶形态的Al2O3，所述Al2O3比表面积为20～200m2/g，孔容为0.5～1.5m2/g，孔径为3～20nm，所述双金属纳米颗粒是由金属铅与金属M组合而成的活性组分，所述M为金属元素Fe，Ni，Co，Mn中的任何一种。双金属纳米颗粒中的金属铅和M各占载体重量的0.1％～1.0％，所述百分比为重量百分比。金属铅与金属M的组合比为：Pd∶M＝1～2∶2～1。载体比表面积为：50～100m2/g；双金属纳米颗粒中的金属铅占载体重量的0.2％～0.5％，M占载体重量的0.1％～0.3％；所述百分比为重量百分比。
本实施例的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂的制备方法，包括以下步骤：一、Pd的盐酸盐或Pd的乙酰丙酮络合物与M的盐酸盐或M的乙酰丙酮络合物，溶解在多元醇中，再加入稳定剂，在100～250℃下反应得到PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，然后离心PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，收集PdM纳米颗粒，然后将PdM纳米颗粒分散放入到低沸点的溶剂中；二、将载体浸渍在置有PdM双金属纳米颗粒的低沸点的溶剂中，然后用低温氮气吹扫除去低沸点溶剂，将除去低沸点溶剂后的混合物依次进行干燥、焙烧、还原，即得到催化剂成品。步骤一中，所述多元醇为乙二醇。步骤一中，所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述低沸点的溶剂为甲醇或乙醇。步骤二中，所述干燥在温度为60～120℃范围内进行，干燥时间为2～10小时；所述焙烧在温度为200～550℃的空气气氛中进行，焙烧时间为2～10小时；所述还原在温度为300～500℃范围内进行，还原剂为氢气和氮气的混合气，其中氢气在混合气中点体积百分比的1～4％，还原时间为2～10小时。
本实施例的用于CO合成草酸二甲酯的催化剂的用途，将所述催化剂放置于原料气中，所述原料气为CO、亚硝酸甲酯和氮气的混合气，所述混合气中CO的体积百分比为5～25％，亚硝酸甲酯的体积百分比为10～18％，其余为氮气，将所述原料气通入温度为110～115℃，压力为0.2～0.5MPa的制备容器中反应，所述制备容器中原料气反应空速为3000～5000h-1。
草酸二甲酯是重要的有机化工中间体，可用于各种染料医药、重要的溶剂、萃取剂以及中间体，还可作为环保型工程塑料单体。草酸二甲酯水解可制备草酸，与氨反应可制备草酰胺化肥，同时草酸二甲酯也是一种优良溶剂，在医药中间体生产中广泛应用。尤其是，草酸酯加氢可制备重要的大宗化学品乙二醇，是石油基环氧乙烷水解制备乙二醇路线的替代路线。所述的θ-Al2O3是指结晶状态的三氧化二铝。
本发明各实施例的数据对比如下：
实施例1
将0.02mol的乙酰丙酮钯加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得Pd双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的Pd纳米颗粒尺寸在1-4nm。将尺寸在3-5mm的997.9g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的Pd纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％。
实施例2：
将0.02mol的乙酰丙酮钯和0.02mol的乙酰丙酮铁加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得PdFe双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的PdFe纳米颗粒尺寸在2-5nm，XRD研究表明所得的PdFe为合金结构。将尺寸在3-5mm的996.8g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的PdFe纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％，Fe含量为0.11wt％。
实施例3：
将0.02mol的乙酰丙酮钯和0.04mol的乙酰丙酮铁加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得PdFe2双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的PdFe2纳米颗粒尺寸在3-6nm，XRD研究表明所得的PdFe2为合金结构。将尺寸在3-5mm的996.2g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的PdFe2纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％，Fe含量为0.22wt％。
实施例4：
将0.04mol的乙酰丙酮钯和0.02mol的乙酰丙酮铁加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得Pd2Fe双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的Pd2Fe纳米颗粒尺寸在2-5nm，XRD研究表明所得的Pd2Fe为合金结构。将尺寸在3-5mm的995.8g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的Pd2Fe纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.42wt％，Fe含量为0.11wt％。
实施例5：
将0.02mol的乙酰丙酮钯和0.02mol的乙酰丙酮钴加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得PdCo双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的PdCo纳米颗粒尺寸在1-5nm，XRD研究表明所得的PdCo为合金结构。将尺寸在3-5mm的996.7g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的PdCo纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％，Co含量为0.12wt％。
实施例6：
将0.02mol的乙酰丙酮钯和0.02mol的乙酰丙酮镍加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得PdNi双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的PdNi纳米颗粒尺寸在2-7nm，XRD研究表明所得的PdNi为合金结构。将尺寸在3-5mm的996.7g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的PdNi纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％，Ni含量为0.12wt％。
实施例7：
将0.02mol的乙酰丙酮钯和0.02mol的乙酰丙酮锰加入三颈烧瓶中，加入300ml乙二醇和100mg聚乙烯吡咯烷酮，搅拌并缓慢升温至180℃并保持2小时获得PdMn双金属纳米颗粒胶体溶液。将反应产物冷却至室温，离心分离反应产物并去除上层清液，收集下层固体并将其分散在乙醇中，获得黑色胶体溶液，透射电镜研究表明所制得的PdMn纳米颗粒尺寸在2-5nm，XRD研究表明所得的PdMn为合金结构。将尺寸在3-5mm的996.8g经过900℃焙烧的θ-Al2O3拉西环载体浸渍于上述分散在乙醇中的PdMn纳米颗粒胶体溶液中，氮气吹扫去除乙醇溶剂获得灰色固体。将所获得固体在80℃下干燥10小时，随后在500℃空气气氛中焙烧3小时，随后在体积比为4/96的H2/N2混合气中在300℃下还原3小时获得黑色成品催化剂，其中Pd含量为0.21wt％，Mn含量为0.10wt％。
制得的催化剂在固定床反应器中评价其CO合成草酸二甲酯的催化性能，反应器内径25.4mm，催化剂装填量为200ml，催化剂床层上下各装填50ml惰性瓷珠，反应器三段控温。原料为CO、亚硝酸甲酯以及氮气的混合气，CO的体积百分比22％，亚硝酸甲酯的体积百分比为11％，反应温度在110-115℃，反应压力在0.4MPa，原料气空速为4000h-1，结果如表一所示。
表一：催化剂性能评价结果
Claims (10)
1.一种用于CO合成草酸二甲酯的催化剂，其特征在于：所述催化剂由载体和双金属纳米颗粒组成，所述载体为结晶形态的Al2O3，所述Al2O3比表面积为20～200m2/g，孔容为0.5～1.5m2/g，孔径为3～20nm，所述双金属纳米颗粒是由金属铅与金属M组合而成的活性组分，所述M为金属元素Fe，Ni，Co，Mn中的任何一种。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于：所述双金属纳米颗粒中的金属铅和M各占载体重量的0.1％～1.0％，所述百分比为重量百分比。
3.根据权利要求2所述的催化剂，其特征在于：所述金属铅与金属M的组合比为：Pd∶M＝1～2∶2～1。
4.根据权利要求1至3中任一所述的催化剂，其特征在于：所述载体比表面积为：50～100m2/g。
5.根据权利要求2或3所述的催化剂，其特征在于：所述双金属纳米颗粒中的金属铅占载体重量的0.2％～0.5％，M占载体重量的0.1％～0.3％；所述百分比为重量百分比。
6.一种权利要求1至5中所述催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
一、Pd的盐酸盐或Pd的乙酰丙酮络合物与M的盐酸盐或M的乙酰丙酮络合物，溶解在多元醇中，再加入稳定剂，在100～250℃下反应得到PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，然后离心PdM双金属纳米颗粒胶体溶液，收集PdM纳米颗粒，然后将PdM纳米颗粒分散放入到低沸点的溶剂中；
二、将载体浸渍在置有PdM双金属纳米颗粒的低沸点的溶剂中，然后用低温氮气吹扫除去低沸点溶剂，将除去低沸点溶剂后的混合物依次进行干燥、焙烧、还原，即得到催化剂成品。
7.根据权利要求6所述催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述多元醇为乙二醇。
8.根据权利要求6所述催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述低沸点的溶剂为甲醇或乙醇。
9.根据权利要求6所述催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述干燥在温度为60～120℃范围内进行，干燥时间为2～10小时；所述焙烧在温度为200～550℃的空气气氛中进行，焙烧时间为2～10小时；所述还原在温度为300～500℃范围内进行，还原剂为氢气和氮气的混合气，其中氢气在混合气中点体积百分比的1～4％，还原时间为2～10小时。
10.一种权利要求1至5中所述催化剂的用途，其特征在于，将所述催化剂放置于原料气中，所述原料气为CO、亚硝酸甲酯和氮气的混合气，所述混合气中CO的体积百分比为5～25％，亚硝酸甲酯的体积百分比为10～18％，其余为氮气，将所述原料气通入温度为110～115℃，压力为0.2～0.5MPa的制备容器中反应，所述制备容器中原料气反应空速为3000～5000h-1。
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