CN106582655A - 一种高分散易还原负载型镍‑铝催化剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分散易还原负载型镍‑铝催化剂的制备方法，是以有机物、铝源和无机酸为原料，水热合成具有特定形貌和丰富孔道结构的金属有机骨架结构，再进一步引入镍源浸渍在所述金属有机骨架结构上，焙烧后形成以氧化铝为载体、负载氧化镍的催化剂。本发明方法制备的镍‑铝催化剂具有丰富的孔道结构和规整的形貌，氧化镍分散性高，还原温度低于600℃，以其作为合成气甲烷化反应催化剂，在400℃时CO转化率大于95%。

Description

一种高分散易还原负载型镍-铝催化剂的制备方法

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，涉及一种负载型催化剂，特别是一种镍-铝系列催化剂的制备方法。

背景技术

催化剂被广泛应用于各行各业，无论是在传统的化工、制药、生物领域，还是在经济效益的提高、清洁能源的开发与利用以及环境保护与治理方面，催化剂都有十分重要的作用。简言之，催化剂的制备及应用关乎人类的生存发展。

负载型催化剂由于具有较高的活性和选择性、容易回收重复利用、稳定性好等优点，在催化领域中起着举足轻重的作用。镍金属由于在生物质催化气化、乙醇水蒸气重整、甲烷二氧化碳重整、生物油加氢、一氧化碳甲烷化、肉桂醛加氢等反应中具有较高活性且廉价易得而被广泛关注；而氧化铝由于表面活泼，形态多样，比表面积较大，被广泛用作工业催化剂的载体。因此，研究负载型镍-铝催化剂的制备具有重要意义。

卢雯等(载体对镍基催化剂及其甲苯水蒸气重整性能的影响. 化学反应工程与工艺. 2012; 28: 238-243)指出，传统的高温镍-铝催化剂还原温度较高，一般大于700℃，容易导致活性金属颗粒团聚、催化剂烧结失活，催化效率下降，使用寿命缩短。另外，传统镍-铝催化剂还存在以下不足：1、由于载体结构和制备方法的影响，传统镍-铝催化剂中的镍载量偏低，导致催化剂活性较差；2、催化剂制备过程繁琐，成本上升。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题，提供一种高分散易还原负载型镍-铝催化剂的制备方法，以本发明方法制备的镍-铝催化剂还原温度低、活性高、抗烧结性能好、寿命长。

本发明所述的高分散易还原负载型镍-铝催化剂的制备方法是以有机物、铝源和无机酸为原料，水热合成具有特定形貌和丰富孔道结构的金属有机骨架结构，再进一步引入镍源浸渍在所述金属有机骨架结构上，焙烧后形成以氧化铝为载体、负载氧化镍的催化剂。

其中，所述的有机物为对苯二甲酸、均苯三甲酸或均苯三甲酸甲酯。

本发明中，所述的原料铝源为易溶于水的无机铝盐，如硝酸铝、硫酸铝、氯化铝等，本发明优选使用硝酸铝。

本发明中，所述的原料镍源为易溶于N,N-二甲基甲酰胺的镍盐，如硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸镍等，本发明优选使用硝酸镍。

本发明中所述的无机酸可以是硝酸、硫酸或盐酸，本发明优选使用浓度为1～4mol/L的硝酸溶液。

本发明所述高分散易还原负载型镍-铝催化剂的具体制备方法是。

1)、按照铝源∶有机物∶无机酸∶去离子水=2～60∶1～40∶0～77∶160～560的摩尔配料比，将铝源、无机酸溶解在去离子水中，加入有机物搅拌均匀后，于不锈钢反应釜中200～220℃下进行水热反应，制备具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物。

2)、按照镍∶氧化铝∶N,N-二甲基甲酰胺=5～40∶60～95∶25～929的质量比，将镍源溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，加入上述具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物浸渍搅拌均匀，干燥后得到前驱体，将前驱体于空气气氛下500～900℃焙烧，制得高分散易还原负载型镍-铝催化剂。

上述制备方法中，在铝源与无机酸的水溶液中加入有机物后，应将体系连续搅拌不少于0.5小时，以使体系充分混合均匀。

进一步地，本发明所述水热反应的时间优选为4～72小时。

具体地，本发明是将上述制备的水热反应产物以N,N-二甲基甲酰胺充分洗涤后，再干燥制成具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物。

本发明是采用饱和等体积浸渍法，将所述镍源浸渍在具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物的N,N-二甲基甲酰胺溶液中制备催化剂前驱体。浸渍过程中，应将体系混合均匀并静置不少于12小时后，再挥发掉溶剂N,N-二甲基甲酰胺得到前驱体。

进一步地，所述的焙烧时间优选为1～24小时。

以本发明方法制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂具有丰富的孔道结构和规整的形貌，且负载氧化镍的质量分数(以Ni计)在5～40%范围内可控。

图1给出了所制备负载型镍-铝催化剂的X射线衍射图。从图中可以看出，合成的催化剂中出现了氧化镍的特征衍射峰，说明成功合成了负载型镍-铝催化剂。根据谢乐公式计算可知，氧化镍的颗粒较小，由于本发明催化剂中氧化镍的负载量较大，因此可以得知本发明制备的镍-铝催化剂中氧化镍的分散性较高。

图2给出了所述催化剂的透射电子显微镜图。图中深黑色部分是氧化镍，其在氧化铝载体中均匀分布，进一步证明本发明合成的镍-铝催化剂中氧化镍的分散性较好。

图3给出了所制备高分散易还原负载型镍-铝催化剂的程序升温还原分析图，从图中可以看出，镍-铝催化剂的还原温度低于600℃，与传统的高温镍-铝催化剂相比，还原温度大大降低，易于还原。

本发明所述高分散易还原负载型镍-铝催化剂的制备方法采用传统浸渍工艺，制备过程简单，原料易得，成本低廉，制备过程几乎不产生对环境有害的副产物，对环境友好。

以本发明方法制备的催化剂突破了一般镍-铝催化剂还原过程中还原温度较高，容易导致活性金属颗粒团聚、催化剂烧结失活的限制，有效降低了催化剂的还原温度，提高了催化剂的反应活性和使用寿命，从而提供了一种还原温度低于600℃、在400℃时CO转化率大于95%，催化效率高、成本低廉、工艺简单的，具有广泛工业应用前景的高分散易还原负载型镍-铝系列催化剂。

附图说明

图1是制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂的X射线衍射图。

图2是制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂的透射电子显微镜图。

图3是制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂的程序升温还原分析图。

具体实施方式

下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

在48ml去离子水中加入14.06g Al(NO₃)₃·9H₂O，室温下搅拌至完全溶解，再加入3.11g对苯二甲酸，于25℃下搅拌0.5小时后，将反应混合物倒入100ml带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭状态下加热至220℃保持72小时，降至室温，取出水热反应产物，用去离子水洗涤至pH为7，抽滤，80℃干燥12小时，以固液质量体积比1∶50加入N,N-二甲基甲酰胺中，25℃下搅拌5小时，用无水乙醇抽滤，80℃干燥12小时，得到具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物。

取4.46g Ni(NO₃)₂·9H₂O加入6.89g N,N-二甲基甲酰胺中，室温下搅拌溶解，再加入9.31g上述金属有机骨架化合物，室温搅拌1小时，静置12小时后，升温至120℃下挥发12小时，使N,N-二甲基甲酰胺挥发完全，于空气气氛中，以2℃/分钟的升温速率升温至600℃焙烧3小时，得到高分散易还原负载型镍-铝催化剂。

取0.2g上述制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂，与5g石英砂混合均匀，装入内径12mm的不锈钢固定反应床中，通入氩气，升温至550℃，关闭氩气，通入氢气，于550℃下还原2小时。

关闭氢气，以空速15000h^-1向不锈钢固定反应床通入原料气(H₂与CO体积比为2∶1的合成气)，常压下分别升温至300℃、400℃和500℃进行甲烷化反应。反应结果如表1所示。

CO转化率=[(C_{原料气CO浓度}×V_{原料气气速}－C_{出口气CO浓度}×V_{出口气气速})/(C_{原料气CO浓度}×V_{原料气气速})]×100%。

实施例2

在45ml去离子水中加入11.72g Al(NO₃)₃·9H₂O，室温下搅拌至完全溶解，再加入0.92g均苯三甲酸，于25℃下搅拌0.5小时后，将反应混合物倒入100ml带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭状态下加热至210℃保持24小时，降至室温，取出水热反应产物，用去离子水洗涤至pH为7，抽滤，80℃干燥12小时，以固液质量体积比1∶50加入N,N-二甲基甲酰胺中，25℃下搅拌5小时，用无水乙醇抽滤，80℃干燥12小时，得到具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物。

取4.46g Ni(NO₃)₂·9H₂O加入3.74g N,N-二甲基甲酰胺中，室温下搅拌溶解，再加入7.34g上述金属有机骨架化合物，室温搅拌1小时，静置12小时后，升温至120℃下挥发12小时，使N,N-二甲基甲酰胺挥发完全，于空气气氛中，以2℃/分钟的升温速率升温至600℃焙烧3小时，得到高分散易还原负载型镍-铝催化剂。

取0.2g上述制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂，与5g石英砂混合均匀，装入内径12mm的不锈钢固定反应床中，通入氩气，升温至550℃，关闭氩气，通入氢气，于550℃下还原2小时。关闭氢气，以空速15000h^-1向不锈钢固定反应床通入原料气(H₂与CO体积比为2∶1的合成气)，常压下分别升温至300℃、400℃和500℃进行甲烷化反应，反应结果如表1所示。

实施例3

在60ml去离子水中加入3.5g Al(NO₃)₃·9H₂O，室温下搅拌至完全溶解后，加入4mol/L硝酸5g，室温下搅拌0.1小时，再加入1.5g均苯三甲酸甲酯，于25℃下搅拌0.5小时后，将反应混合物倒入100ml带聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，密闭状态下加热至200℃保持4小时，降至室温，取出水热反应产物，用去离子水洗涤至pH为7，抽滤，80℃干燥12小时，以固液质量体积比1∶50加入N,N-二甲基甲酰胺中，150℃下静置5小时，用无水乙醇抽滤，80℃干燥12小时，得到具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物。

取4.46g Ni(NO₃)₂·9H₂O加入21.89g N,N-二甲基甲酰胺中，室温下搅拌溶解，再加入13.68g上述金属有机骨架化合物，室温搅拌1小时，静置12小时后，升温至120℃下挥发12小时，使N,N-二甲基甲酰胺挥发完全，于空气气氛中，以2℃/分钟的升温速率升温至600℃焙烧3小时，得到高分散易还原负载型镍-铝催化剂。

取0.2g上述制备的高分散易还原负载型镍-铝催化剂，与5g石英砂混合均匀，装入内径12mm的不锈钢固定反应床中，通入氩气，升温至550℃，关闭氩气，通入氢气，于550℃下还原2小时。关闭氢气，以空速15000h^-1向不锈钢固定反应床通入原料气(H₂与CO体积比为2∶1的合成气)，常压下分别升温至300℃、400℃和500℃进行甲烷化反应，反应结果如表1所示。

比较例1

以市售的普通氧化铝为载体，负载镍盐后制备普通高温镍-铝催化剂，代替上述各实施例催化剂，在同样条件下进行甲烷化反应，反应结果如表1所示。

从表1中数据可以看出，与普通高温镍-铝催化剂相比，本发明各实施例制备的催化剂具有良好的甲烷化催化性能，CO转化率高，且专利组成范围内的变化对催化性能无明显影响。反应后，取出催化剂，催化剂表面干净。

Claims (10)

1.一种高分散易还原负载型镍-铝催化剂的制备方法，是以有机物、铝源和无机酸为原料，水热合成具有特定形貌和丰富孔道结构的金属有机骨架结构，再在金属有机骨架结构上浸渍镍源，焙烧后形成以氧化铝为载体、负载氧化镍的催化剂，其中，所述的有机物为对苯二甲酸、均苯三甲酸或均苯三甲酸甲酯。

2.根据权利要求1所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的铝源为易溶于水的无机铝盐硝酸铝、硫酸铝或氯化铝。

3.根据权利要求1所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的镍源为易溶于N,N-二甲基甲酰胺的镍盐硝酸镍、硫酸镍、氯化镍或醋酸镍。

4.根据权利要求1所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的铝源为硝酸铝，镍源为硝酸镍。

5.根据权利要求1所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的无机酸是硝酸、硫酸或盐酸。

6.根据权利要求5所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的无机酸是浓度为1～4mol/L的硝酸溶液。

7.根据权利要求1所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是：

1)、按照铝源∶有机物∶无机酸∶去离子水=2～60∶1～40∶0～77∶160～560的摩尔配料比，将铝源、无机酸溶解在去离子水中，加入有机物搅拌均匀后，于不锈钢反应釜中200～220℃下进行水热反应，制备具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物；

2)、按照镍∶氧化铝∶N,N-二甲基甲酰胺=5～40∶60～95∶25～929的质量比，将镍源溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，加入上述具有特定形貌和孔道结构的金属有机骨架化合物浸渍搅拌均匀，干燥后得到前驱体，将前驱体于空气气氛下500～900℃焙烧，制得高分散易还原负载型镍-铝催化剂。

8.根据权利要求7所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是在铝源与无机酸的水溶液中加入有机物后，将体系连续搅拌不少于0.5小时。

9.根据权利要求7所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述水热反应时间为4～72小时。

10.根据权利要求7所述的负载型镍-铝催化剂的制备方法，其特征是所述的焙烧时间为1～24小时。