CN105664952A - 氧化铜-氧化锌复合催化剂、制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铜-氧化锌复合催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:将炭黑模板浸渍含有铜离子和锌离子的溶液中,之后将浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板干燥,煅烧除去炭黑模板,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂。本发明提供的氧化铜-氧化锌复合催化剂,模板剂为炭黑,其杂质少,颗粒小,且来源广泛,成本低廉;可得到结构疏松和粒径较小及粒径分布范围窄的复合氧化物纳米粒子。而且炭黑易脱除且脱除后对环境无污染,适于工业化生产。

Description

氧化铜-氧化锌复合催化剂、制备方法和用途
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,涉及一种氧化铜-氧化锌复合催化剂、制备方法及其用途,尤其涉及一种采用普通的炭黑制备疏松型氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子催化剂、制备方法及其用途。
背景技术
氧化铜是一种重要的无机化工原料,广泛应用于催化、传感器、高温超导等领域,可用于玻璃、陶瓷的着色剂,油漆的防皱以及有机分析中测定化合物含碳量的助氧剂。目前我国氧化铜粉生产中比较成熟的工艺包括高温固相法、硫酸铜煅烧法、熔融喷雾法等。
高温固相法工艺流程长,容易烧结,需要反复破碎煅烧,能耗高,产物粒度大且结构致密。硫酸铜煅烧法粒子容易团聚,,能耗高,产物粒度较大。熔融喷雾法实现过程中对设备要求较高、技术难度较大,产物粒度也较大。
CN103979600A发明了一种以椰壳活性炭为吸附分散剂,工业乙酸铜或者工业硝酸铜与氨水或碳酸氢氨溶液进行沉淀反应,焙烧得到超细氧化铜的方法。但是该方法中沉淀反应与络合反应为竞争关系,沉淀剂不足会使得沉淀不完全造成浪费,或者沉淀剂稍过量会成为铜氨络合物而难以沉淀,因而工艺控制难度较大,而且需要超声来控制沉淀均一度,在工业上实现难度也较大。
CN104326503A发明了一种以铜板为原料制备活性氧化铜粉的方法,但其原料来源单一,生产成本较高,且产物粒度相对较大。鉴于此,开发粒径小、结构疏松和成本低廉的活性氧化铜粉,以及过程简单的制备方法对于工业应用仍然具有重要意义。
众所周知,甲基氯硅烷是制备有机硅材料最重要的有机硅单体。目前工业上主要采用E.G.Rochow发明的“直接法”(Rochow反应)来合成,即在铜基催化剂作用下,由硅粉(Si)和氯甲烷(MeCl)发生直接取代反应,反应过程如图1所示。在众多产物中,以M2(二甲基二氯硅烷,(CH3)2SiCl2)的用量最大。但是由于此反应会伴随发生歧化、热分解和水解等众多复杂副反应,导致副产物较多,因此,提高M2的产率和选择性一直是有机硅行业的研究重点。
Cu基催化材料是目前Rochow反应的经典催化剂,包括铜单质、氧化亚铜和氧化铜等。而且研究发现Zn或者Zn的化合物作为助剂添加到Cu基主催化剂中,可以进一步提高其催化性能。但是由于工业添加方式一般属于外加掺混,导致主助催化剂分散不均一,相互作用力较弱,影响了两者的协同性能,进而影响了催化性能的提升。因此,用于“直接法”合成M2单体反应的铜基催化剂还有待于进一步研究,以期进一步提高M2选择性和硅粉原料转化率。
发明内容
针对上述现有氧化铜工业生产技术中工艺流程长,产物粒度大的缺点,且在Rochow反应中,主催化剂CuO和助剂Zn或者ZnO组分间混合不均一作用力弱,协同效果差,催化性能不理想等缺点,本发明的目的在于提供一种氧化铜-氧化锌复合催化剂、制备方法及用途,所述方法原料来源广泛,工艺流程简单;制备的氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子产品粒度小,组分分布均匀;且二元复合结构在催化应用中表现出较明显的协同效应。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
本发明的目的之一在于提供一种氧化铜-氧化锌复合催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:
将炭黑模板浸渍含有铜离子和锌离子的溶液中,之后将浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板干燥,煅烧除去炭黑模板,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂。
炭黑具有丰富的含氧基团可起到表层化学吸附的作用,炭黑粒子聚集体构成的三维空间和链枝结构可产生限域效应,在这两种作用下,氧化铜和氧化锌能够以添加比例均匀的浸渍在炭黑上,经过煅烧除去炭黑,得到结构疏松和粒径较小及粒径分布范围窄的复合氧化物纳米粒子。而且炭黑易脱除且脱除后对环境无污染,适于工业化生产。
本发明方法制备的氧化铜-氧化锌复合催化剂为疏松型氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子结构,其疏松多孔,粒子较小,组分间分散均一,经过简单球磨能够得到更小粒度分布的粒子。
优选地,本发明所述含有铜离子和锌离子的溶液中,铜离子的浓度为0.25~0.65mol/L,例如0.30mol/L、0.34mol/L、0.37mol/L、0.42mol/L、0.46mol/L、0.48mol/L、0.51mol/L、0.53mol/L、0.57mol/L、0.59mol/L等。
优选地,所述铜离子来源于可溶性铜盐或铜氨络合物,优选铜氨络合物。
铜氨络合物是一种分子式为[Cu(NH3)4]2+的化学物质。
优选地,所述可溶性铜盐为酸浸铜矿石、酸浸铜粉、酸浸氧化铜,酸浸氧化亚铜、酸浸含铜废电路板、乙酸铜或硝酸铜中的任意1种或至少2种的组合。
优选地,所述铜氨络合物来源于氨浸铜矿石、氨浸铜粉、氨浸氧化铜、氨浸氧化亚铜、氨浸乙酸铜、氨浸硝酸铜、氨浸有机硅废触体或氨浸含铜废电路板中的铜中的任意1种或至少2种的组合。
本发明所述铜的来源中涉及到的酸浸铜矿石、酸浸铜粉、酸浸氧化铜,酸浸氧化亚铜、酸浸含铜废电路板、氨浸铜矿石、氨浸铜粉、氨浸氧化铜、氨浸氧化亚铜、氨浸乙酸铜、氨浸硝酸铜、氨浸有机硅废触体或氨浸含铜废电路板均是使用酸浸或氨浸后的液体。
优选地,本发明所述含有铜离子和锌离子的溶液中,铜离子和锌离子的摩尔比为1:1~10:1,例如2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1等。
优选地,所述锌离子来源于可溶性锌盐或者锌氨络合物,优选锌氨络合物。
优选地,所述可溶性锌盐为酸浸锌矿石、酸浸氧化锌、乙酸锌或硝酸锌中的任意1种或至少2种的组合。
优选地,所述锌氨络合物来源于氨浸氧化锌、氨浸乙酸锌、氨浸硝酸锌中的任意1种或至少2种的组合。
本发明所述锌的来源的酸浸锌矿石、酸浸氧化锌、氨浸氧化锌、氨浸乙酸锌、氨浸硝酸锌均是使用酸浸或氨浸后的液体。
对于本发明所述的铜的来源和锌的来源,“酸浸”和“氨浸”工艺是常规的工艺条件,本发明不做具体限定,本领域技术人员可以根据自己掌握的专业知识和实际情况进行选择。
优选地,所述含有铜离子和锌离子的溶液的溶剂为水和/或乙醇水溶液,优选乙醇和水的体积比为0:1~1:1的溶液,进一步优选乙醇和水的体积比为0.1:1~0.5:1的溶液,特别优选乙醇和水的体积比为0.2:1的溶液。
典型但非限制性的含有铜离子和锌离子的溶液的溶剂为乙醇和水的体积比为0.1:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.2:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.3:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.5:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.6:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.8:1的溶液、乙醇和水的体积比为0.9:1的溶液等。
优选地,所述炭黑模板为粒径为50~100nm的炭黑,例如粒径为50~60nm的炭黑、60~70nm的炭黑、70~80nm的炭黑、80~90nm的炭黑、90~100nm的炭黑、55~66nm的炭黑、63~72nm的炭黑、88~98nm的炭黑等。
优选地,所述炭黑模板与催化剂有效成分的质量比为1:1~5:1,所述催化剂有效成分为以铜离子和锌离子等摩尔换算得到的氧化铜和氧化锌。
所述炭黑模板与催化剂有效成分的质量比典型但非限制性的为2:1、3:1、4:1等。
优选地,所述浸渍的同时进行搅拌。
优选地,所述搅拌的时间为4~48h,例如5h、12h、18h、23h、27h、33h、38h、42h、47h等。
优选地,所述干燥的温度为60~150℃,例如62℃、66℃、69℃、72℃、77℃、83℃、87℃、95℃、98℃、105℃、112℃、117℃、125℃、138℃、142℃、148℃等,干燥的时间为4~24h,例如4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或23h等。
优选地,所述煅烧的温度为500~1000℃,如530℃、600℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃或980℃等。
优选地,所述煅烧的时间为4~24h,如5h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或23h等。
可选地,为了获得更小尺寸的氧化铜-氧化锌复合催化剂,可以对制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂球磨,得到氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂;
优选地,所述球磨的尺寸为20~100nm。
当然,不对氧化铜-氧化锌复合催化剂进行球磨,也可以用作相应反应催化剂,对于是否进行球磨本发明不做具体限定,本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。
作为优选技术方案,本发明所述氧化铜-氧化锌复合催化剂的制备方法包括如下步骤:
(1)配置含有铜离子和锌离子的溶液;
(2)将炭黑模板加入步骤(1)含有铜离子和锌离子的溶液中,搅拌浸渍,得到浸渍有铜离子和锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有有铜离子和锌离子溶液的炭黑模板直接进行干燥,除去多余液体,得到浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板;
(4)对步骤(3)得到的浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板在空气气氛中煅烧,除去炭黑模板,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂。
可选地,在步骤(4)之后进行步骤(5)将步骤(4)得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂球磨得到氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂。
本发明的目的之二是提供一种氧化铜-氧化锌复合催化剂,所述催化剂由如目的之一所述的制备方法制备得到;
所述催化剂包括氧化铜纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒。
本发明所述的“包括”,意指其除所述组分外,还可以包括其他组分,这些其他组分赋予所述催化剂不同的特性。除此之外,本发明所述的“包括”,还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
所述催化剂中,颗粒尺寸的标准偏差≤5%,例如4%、3%、2%、1%等。
本发明的目的之三是提供一种如目的之二所述的氧化铜-氧化锌复合催化剂的用途,所述催化剂用于有机硅单体合成,优选用于选择性催化二甲基二氯硅烷的合成。
一种有机硅单体合成方法,采用目的之二所述的氧化铜-氧化锌复合催化剂。
一种选择性催化二甲基二氯硅烷的合成方法,采用目的之二所述的氧化铜-氧化锌复合催化剂。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明提供的氧化铜-氧化锌复合(纳米粒子)催化剂,模板为炭黑,其杂质少,颗粒小,且来源广泛,成本低廉;炭黑中丰富的含氧基团可起到表层化学吸附的作用,炭黑粒子聚集体构成的三维空间和链枝结构可产生限域效应,在这两种作用下,可得到结构疏松和粒径较小及粒径分布范围窄的复合氧化物纳米粒子;而且炭黑易脱除且脱除后对环境无污染,适于工业化生产;
(2)本发明提供的氧化铜-氧化锌复合(纳米粒子)催化剂,活性组分为氧化铜和氧化锌,铜锌原料来源极其广泛,浸取工艺常规,铜锌组分可控,重现性好,适合大规模化生产;
(3)本发明提供的氧化铜-氧化锌复合(纳米粒子)催化剂为疏松型氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子结构,其疏松多孔,粒子较小,组分间分散均一,经过简单球磨即可得到更小粒度分布的粒子;
(4)本发明提供的氧化铜-氧化锌复合(纳米粒子)催化剂能够用于“直接法”合成M2单体反应中,与氧化铜、氧化铜和氧化锌的机械混合物以及商业催化剂相比,表现出更高的M2选择性和硅粉原料转化率。
附图说明
图1是实施例1制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的XRD图;
图2是实施例1制备氧化铜-氧化锌复合催化剂采用的炭黑模板的SEM图;
图3是实施例1制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的SEM图;
图4是实施例1制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的元素面分布图;
图5是实施例1采用的炭黑模板、制得的氧化铜-氧化锌复合纳米粒子的催化剂和球磨后的氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂的粒径分布图;
图6是实施例1固定床催化反应后废触体的XRD图。
具体实施方式
为便于理解本发明,本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
以下制备纳米金属复合物所需要的原料,本领域的技术人员均可商购获得。
催化剂性能评价采用微型固定床装置进行,反应器内径为20cm,长度为50cm,评价过程如下:将10gSi粉和0.5g制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂均匀混合后,研磨混合形成触体;反应时,首先采用N2吹扫反应系统,然后,切换为MeCl气体,经过预热后与触体发生接触反应,反应后的产物从反应器下端流出,经冷凝管冷凝后采用甲苯收集,多余尾气用碱液吸收后排空;收集的混合液定容后通过毛细管气相色谱(Agilent7890A,KB-210色谱柱,TCD检测器)进行定量分析;
硅粉(Si粉)和氯甲烷(MeCl)发生直接取代反应的反应方程式如下:
实施例1:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌离子溶液(nCu 2+为0.025mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)100mL,溶剂为纯水溶液,铜离子来源于乙酸铜,锌离子来源于乙酸锌;
(2)将4.4g炭黑(50nm)加入到步骤(1)的铜锌离子溶液中,使得溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为2:1,搅拌4h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在60℃下干燥4h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于500℃下煅烧4h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在荷兰Panalytical公司(帕纳科)生产的X′PertPROMPD型多功能X射线衍射仪上进行XRD测试;在日本JEOL公司生产的JSM-7001F型扫描电子显微镜上观察催化剂的微观形貌;在英国牛津公司生产的INCAX-MAX型能谱仪上测试催化剂的元素分布情况;在中国丹东百特公司生产的BT9300Z型激光粒度仪上测试催化剂的粒度分布;在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;在丹东百特公司生产的BT-101金属粉末松装密度测定仪并依据国标GB/T16913.3-1997进行堆积密度测试。
图1是制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的XRD图,其中,“▲”代表CuO的特征衍射峰,“●”为ZnO的特征衍射峰;
图2是炭黑模板的SEM图,从图中可以看出,其粒度分布较为均一,且炭黑粒子粒径大小约为50~100nm;
图3是制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的SEM图,从图中可以看出,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂由大量粒径为100~200nm的纳米粒子组成,表面疏松多孔;
图4是制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂的元素面分布图,图中显示Cu(图4b)和Zn(图4c)在催化剂上分布均匀;
图5是采用的炭黑模板、制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂和球磨后的氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂的粒径分布图,从图中可以看出,炭黑模板粒度分布主要集中在6.6μm(D50),制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂粒度分布主要集中在18μm(D50),球磨后氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂的粒度分布主要集中在7.5μm(D50);ICP测试结果显示,铜元素含量为72.5wt%,锌元素含量为7.2wt%;堆积密度为0.63g/cm3
催化剂的评价:制备得到的催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为90.1%,Si的转化率为46.9%。图6是实施例1固定床催化反应后废触体的XRD图。
实施例2
催化剂的制备:
(1)配置铜锌离子溶液(nCu 2+=0.030mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)200mL,溶剂为醇水溶液(乙醇水体积比为0.2:1),铜离子来源于硝酸铜,锌离子来源于硝酸锌;
(2)将13.2g炭黑(60nm)加入到含铜锌离子的溶液中,使得其中炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为5:1,搅拌8h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在80℃下干燥24h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于750℃下煅烧24h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为65.8%,锌元素含量为13.2%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为0.40g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为88.7%,Si的转化率为38.9%。
实施例3:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu2+=0.040mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)100mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为0.4:1),铜离子来源于氨浸铜粉,锌离子来源于氨浸氧化锌;
(2)将10.6g普通纳米炭黑(70nm)加入到铜锌的氨络合物溶液中,在所述溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为3:1,搅拌16h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在100℃下干燥16h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于800℃下煅烧18h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为39.9%,锌元素含量为40.2%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为0.96g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为86.5%,Si的转化率为42.5%。
实施例4:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu 2+=0.050mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)100mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为1:1),铜离子来源于氨浸氧化铜粉,锌离子来源于氨浸氧化锌;
(2)将4.4g炭黑(80nm)加入到步骤(1)的铜锌的氨络合物溶液中,使得溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为1:1,搅拌24h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在120℃下干燥18h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于850℃下煅烧8h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为74.8%,锌元素含量为7.5%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为1.11g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为85.3%,Si的转化率为36.5%。
实施例5:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu 2+=0.065mol且nCu 2+:nZn 2+=5:1)100mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为1:1),铜离子来源于氨浸氧化铜粉,锌离子来源于氨浸氧化锌;
(2)将18.7g炭黑(90nm)加入到铜锌的氨络合物溶液中,使得其中炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为3:1,搅拌32h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在130℃下干燥18h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于900℃下煅烧24h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为76.3%,锌元素含量为7.58%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为0.50g/cm3
催化剂的评价:制备得到的铜催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为87.6%,Si的转化率为34.8%。
实施例6:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu 2+=0.065mol且nCu 2+:nZn 2+=1:1)200mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为0.8:1),铜离子来源于氨浸有机硅废触体,锌离子来源于氨浸氧化锌;
(2)将31.2g炭黑(100nm)加入到铜锌的氨络合物溶液中,在所述溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为3:1,搅拌42h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在140℃下干燥22h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于950℃下煅烧24h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为73.8%,锌元素含量为7.4%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为0.47g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为84.9%,Si的转化率为44.3%。
实施例7:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu 2+=0.045mol且nCu 2+:nZn 2+=8:1)40mL,溶剂为水溶液,铜离子来源于乙酸铜,锌离子来源于乙酸锌;
(2)将4.1g炭黑(95nm)加入到步骤(1)的铜锌的氨络合物溶液中,在所述溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为1:1,搅拌48h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在150℃下干燥24h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于1000℃下煅烧24h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为75.9%,锌元素含量为7.3%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为1.00g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为87.1%,Si的转化率为32.1%。
实施例8:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌氨络合物溶液(nCu 2+=0.05mol且nCu 2+:nZn 2+=5:1)200mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为0.1:1),铜离子来源于氨浸硝酸铜,锌离子来源于氨浸硝酸锌;
(2)将24.0g炭黑(85nm)加入到铜锌离子氨络合溶液中,使得所述溶液中的炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为5:1,搅拌8h进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在150℃下干燥24h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于1000℃下煅烧24h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为66.7%,锌元素含量为13.3%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为0.43g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为85.5%,Si的转化率为33.8%。
实施例9:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌离子溶液(nCu 2+=0.025mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)200mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为0.1:1),铜离子来源于酸浸废铜电路板,锌离子来源于酸浸氧化锌;
(2)将2.2g炭黑(75nm)加入到含有铜锌离子的溶液中,其中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为1:1,搅拌24h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在120℃下干燥18h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于850℃下煅烧8h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为74.9%,锌元素含量为7.4%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为1.13g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为87.0%,Si的转化率为30.4%。
实施例10:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌离子溶液(nCu 2+=0.045mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)100mL,溶剂为乙醇水溶液(醇水比为1:1),铜离子来源于酸浸铜粉,锌离子来源于酸浸氧化锌;
(2)将4.0g炭黑(65nm)加入到含有铜锌离子的溶液中,其中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为1:1,搅拌24h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在130℃下干燥19h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于600℃下煅烧5h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为73.9%,锌元素含量为8.1%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为1.09g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为85.2%,Si的转化率为35.1%。
实施例11:
催化剂的制备:
(1)配置铜锌离子溶液(nCu 2+为0.05mol且nCu 2+:nZn 2+=10:1)100mL,溶剂为纯水溶液,铜离子来源于酸浸氧化铜,锌离子来源于酸浸氧化锌;
(2)将8.8g炭黑(55nm)加入到步骤(1)的含铜锌离子的溶液中,在所述溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜和氧化锌)的质量比为2:1,搅拌12h,进行浸渍,得到浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有铜锌离子溶液的炭黑模板在90℃下干燥5h,得到浸渍有铜锌离子的炭黑模板;
(4)将步骤(3)得到的浸渍有铜锌离子的炭黑模板在空气气氛中于650℃下煅烧4h,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂,其具有疏松结构。
催化剂的表征:
将制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂在美国Pekin-Elmer电感耦合等离子体原子发射光谱仪上进行ICP测试;
测试结果表明,制得的氧化铜-氧化锌复合催化剂中铜元素含量为73.9%,锌元素含量为8.1%;
制得氧化铜-氧化锌复合催化剂堆积密度为1.09g/cm3
催化剂的评价:制备得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂的Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为86.8%,Si的转化率为30.2%。
对比例1:
采用炭黑模板制备氧化铜纳米颗粒,具体步骤为:
(1)称取5g一水合乙酸铜溶解到100mL水溶液中;
(2)将6g炭黑(50nm)加入到含铜离子的溶液中,其中,炭黑与催化剂有效成分(氧化铜)的质量比为3:1,搅拌4h;
(3)将上述搅拌后浸渍有铜离子的炭黑模板在100℃下干燥4h;
(4)将干燥后的炭黑在空气气氛中于700℃下煅烧4h,得到疏松型氧化铜纳米粒子;
制得疏松型氧化铜纳米粒子堆积密度为0.50g/cm3
采用其0.5g作为催化剂进行催化剂活性评价,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为69.1%,Si的转化率为15.2%;
对比例2
采用对比例1制备的模板氧化铜纳米粒子0.5g作为主催化剂并加入0.025g商业氧化锌粉作为助催化剂进行催化剂活性评价,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为74.2%,Si的转化率为26.8%。
对比例3
采用炭黑模板制备氧化锌纳米颗粒,具体步骤为:
(1)称取5.4g二水合乙酸锌溶解到100mL水溶液中;
(2)将4.4g普通炭黑(50nm)加入到含锌离子的溶液中,所述溶液中,炭黑与催化剂有效成分(氧化锌)的质量比为2:1,搅拌4h;
(3)将上述搅拌后浸渍有锌离子的炭黑模板在100℃下干燥4h;
(4)将干燥后的炭黑在空气气氛中于700℃下煅烧4h,得到疏松型氧化锌纳米粒子;
制得氧化锌纳米粒子堆积密度为1.58g/cm3
采用其0.5g作为催化剂进行催化剂活性评价,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为0%,Si的转化率为0%。
对比例4
采用0.5g对比例1制备的氧化铜纳米粒子与0.025g对比例3制备的氧化锌纳米粒子机械混合进行催化剂活性评价,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为76.1%,Si的转化率为28.1%。
对比例5:
选用某商业氧化铜粉进行对比。某商业氧化铜粉堆积密度为5.8g/cm3
采用其0.5g作为主催化剂并加入0.025g商业氧化锌粉作为助催化剂,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为68.5%,Si的转化率为15.8%。
对比例6:
选用某商业铜基催化剂进行对比。某商业铜基催化剂堆积密度为4.8g/cm3
采用其0.5作为催化剂进行催化剂活性评价,Si粉转化率和产物分布如表1所示,其产物中M2的含量为81.5%,Si的转化率为35.5%
实施例和对比例得到的催化剂的催化性能测试结果见表1。
表1催化剂活性测试结果(1)
注:(1)反应条件:预热温度为350℃,反应温度为325℃,反应压力为常压,氯甲烷流速为25mL/min,反应时间为24h;
(2)M1:MeSiCl3(一甲基三氯硅烷);M2:Me2SiCl2(二甲基二氯硅烷),M3:Me3SiCl(三甲基一氯硅烷);M1H:MeHSiCl2(一甲基含氢硅烷);M2H:Me2HSiCl(二甲基含氢硅烷);LBR:低沸物;HBR:高沸物;产物分布通过反应产物对应面积的百分比计算,硅转化率计算公式如下:
其中,W为触体的重量。
从表1可以看出,对比例1制备的无模板氧化铜外加5%商业氧化锌催化M2单体合成反应时,M2选择性仅为65.1%,Si粉转化率也仅为12.2%;对比例2中仅用炭黑模板氧化铜催化M2单体合成反应时,M2选择性为69.1%,Si粉转化率为15.2%;对比例3中用炭黑模板氧化铜外加5%商业氧化锌催化M2单体合成反应时,M2选择性提高到为74.2%,Si粉转化率提高到26.8%;对比例4中炭黑模板氧化锌无催化活性,而当对比例5中用炭黑模板氧化铜外加5%炭黑模板氧化锌催化M2单体合成反应时,M2选择性提高到为76.1%,Si粉转化率提高到28.1%;当采用实施例1~11制得的多孔氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子催化时,虽然疏松型氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子的组分含量不同,催化性能略有差别,但是催化活性和选择性与对比例1相比显著提高,M2选择性达到90.1%,硅粉转化率达到了46.9%;而采用对比例6商业氧化铜外加5%商业氧化锌催化单体合成反应时,最重要的指标M2的选择性仅为64.5%,Si粉转化率也仅为12.8%,而对比例7商业铜基催化剂M2的选择性为81.5%,硅粉转化率为35.5%。这充分证实本发明提供的疏松型氧化铜-氧化锌复合氧化物纳米粒子具有优异的催化性能。
上述实验结果表明,与对比例1、2、3、5、6和7制备的催化剂相比,本发明提供的方法制备得到的纳米粒子在M2选择性和硅粉转化率方面具有明显优势。这主要归因于以下三方面的原因,一、本发明方法制备的催化剂具有疏松多孔结构,有利于反应物和产物的扩散;二、本发明方法制备的催化剂粒子较小(100~200nm),组分间分散更均一;三、氧化铜和氧化锌形成的异质结构增强了两种组分间的协同作用,各组分与硅粉之间的接触更加紧密,导致形成更多的Cu3Si活性相,从而提高M2选择性和硅粉转化率。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程,但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程,即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化铜-氧化锌复合催化剂的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
将炭黑模板浸渍含有铜离子和锌离子的溶液中,之后将浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板干燥,煅烧除去炭黑模板,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述含有铜离子和锌离子的溶液中,铜离子的浓度为0.25~0.65mol/L;
优选地,所述铜离子来源于可溶性铜盐或铜氨络合物,优选铜氨络合物;
优选地,所述可溶性铜盐为酸浸铜矿石、酸浸铜粉、酸浸氧化铜,酸浸氧化亚铜、酸浸含铜废电路板、乙酸铜或硝酸铜中的任意1种或至少2种的组合;
优选地,所述铜氨络合物来源于氨浸铜矿石、氨浸铜粉、氨浸氧化铜、氨浸氧化亚铜、氨浸乙酸铜、氨浸硝酸铜、氨浸有机硅废触体或氨浸含铜废电路板中的铜中的任意1种或至少2种的组合。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述含有铜离子和锌离子的溶液中,铜离子和锌离子的摩尔比为1:1~10:1;
优选地,所述锌离子来源于可溶性锌盐或者锌氨络合物,优选锌氨络合物;
优选地,所述可溶性锌盐为酸浸锌矿石、酸浸氧化锌、乙酸锌或硝酸锌中的任意1种或至少2种的组合;
优选地,所述锌氨络合物来源于氨浸氧化锌、氨浸乙酸锌、氨浸硝酸锌中的任意1种或至少2种的组合;
优选地,所述含有铜离子和锌离子的溶液的溶剂为水和/或乙醇水溶液,优选乙醇和水的体积比为0:1~1:1的溶液,进一步优选乙醇和水的体积比为0.1:1~0.5:1的溶液,特别优选乙醇和水的体积比为0.2:1的溶液。
4.如权利要求1~3之一所述的制备方法,其特征在于,所述炭黑模板为粒径为50~100nm的炭黑;
优选地,所述炭黑模板与催化剂有效成分的质量比为1:1~5:1,所述催化剂有效成分为以铜离子和锌离子等摩尔换算得到的氧化铜和氧化锌。
5.如权利要求1~4之一所述的制备方法,其特征在于,所述浸渍的同时进行搅拌;
优选地,所述搅拌的时间为4~48h;
优选地,所述干燥的温度为60~150℃,干燥的时间为4~24h;
优选地,所述煅烧的温度为500~1000℃;
优选地,所述煅烧的时间为4~24h。
6.如权利要求1~5之一所述的制备方法,其特征在于,将氧化铜-氧化锌复合催化剂球磨,得到氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂;
优选地,所述球磨的尺寸为20~100nm。
7.如权利要求1~5之一所述的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)配置含有铜离子和锌离子的溶液;
(2)将炭黑模板加入步骤(1)含有铜离子和锌离子的溶液中,搅拌浸渍,得到浸渍有铜离子和锌离子溶液的炭黑模板;
(3)将步骤(2)得到的浸渍有有铜离子和锌离子溶液的炭黑模板直接进行干燥,除去多余液体,得到浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板;
(4)对步骤(3)得到的浸渍有铜离子和锌离子的炭黑模板在空气气氛中煅烧,除去炭黑模板,得到氧化铜-氧化锌复合催化剂;
可选地,在步骤(4)之后进行步骤(5)将步骤(4)得到的氧化铜-氧化锌复合催化剂球磨得到氧化铜-氧化锌复合纳米粒子催化剂。
8.一种氧化铜-氧化锌复合催化剂,其特征在于,所述催化剂由如权利要求1~7之一所述的制备方法制备得到;
所述催化剂包括氧化铜纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒。
9.如权利要求8所述的催化剂,其特征在于,所述催化剂中,颗粒尺寸的标准偏差≤5%。
10.一种如权利要求8或9所述的氧化铜-氧化锌复合催化剂的用途,其特征在于,所述催化剂用于有机硅单体合成,优选用于选择性催化二甲基二氯硅烷的合成。
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