CN108067249A - 一种高分散于载体二氧化硅的铂基催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种高分散于载体二氧化硅的铂基催化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂及其制备方法和应用,该催化剂以SiO2为载体,金属Pt为活性组分,NiO、La2O3和LaFeO3为助剂;以催化剂总质量为基准,金属Pt的质量百分含量为0.1~0.3%,NiO的质量百分含量为0.05~4%,La2O3的质量百分含量为0.25~9.0%,LaFeO3的质量百分含量为17.0~30.0%,SiO2的质量百分含量为55.0~85.0%,且该催化剂可应用于异丁烯脱氢。本发明选择的SiO2具有大的比表面积,使各组分可以高度分散,这样催化剂不易聚集烧结;同时在钙钛矿结构中掺入Pt,由于钙钛矿的特殊结构,还原后的Pt粒子颗粒小且颗粒之间有钙钛矿粒子、氧化镧和氧化镍粒子起到分散的作用,使之更多地暴露活性位点,在高温下不易团聚,从而提高了催化剂的稳定性和反应的活性。
Description
技术领域
本发明属于金属催化剂的技术领域,具体涉及一种高分散于载体二氧化硅的铂基催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
异丁烯是非常重要的化工原料,主要用于制备丁基橡胶、聚异丁烯、甲基丙烯腈、抗氧剂、叔丁酚、叔丁基醚等。随着对异丁烯下游产品的需求日益增加,相对应的,对异丁烯的需求也随之增加。然而异丁烯没有天然来源,主要来自石脑油蒸汽裂解装置和流化催化裂化装置的副产物。原有的异丁烯生产方法已经不能满足化工行业对异丁烯的需要,加快研究异丁烯的生产方法是目前亟待解决的问题。
C4馏分中含有大量的异丁烷,利用率低,大部分被用作民用燃料烧掉,造成了极大的浪费。异丁烷脱氢制异丁烯具有广阔的研究前景,是目前研究中的主要方向。通过将异丁烷脱氢制得异丁烯进而生产更具价值的化工产品不仅可提高异丁烷的利用率还能产生经济效益。已经工业化的异丁烷脱氢工艺有UOP公司的Oleflex工艺、United Catalysts/Lummus Crest公司的Catofin工艺、Phillips Petroleum公司的STAR工艺、Snamprogetti-Yarsintez公司的FBD工艺和Linde/BASF公司的Linde工艺。Catofin工艺、FBD工艺、Linde工艺采用的催化剂是铬系催化剂,铬具有一定的毒性,对环境不友好。Oleflex工艺、STAR工艺使用的催化剂铂系催化剂,催化效果好,环境友好,但铂价格昂贵,催化剂易积碳失活,不稳定。因此开发活性高、稳定性好、选择性高的催化剂是解决异丁烷脱氢制异丁烯技术的关键所在。
发明内容
本发明针对Pt基催化剂体系易聚集长大,积碳严重和选择性低的问题提出了一种负载于高表面积SiO2、高分散Pt基催化剂制备方法及其在异丁烷脱氢制异丁烯反应中的应用。该催化剂明显提高了反应的选择性,且有效改善了催化剂易烧结、积碳严重的问题。
本发明是通过以下技术方法实现的:
一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂,以SiO2为载体,金属Pt为活性组分,NiO、La2O3和LaFeO3为助剂;以催化剂总质量为基准,所述的金属Pt的质量百分含量为0.1~0.3%,所述的NiO的质量百分含量为0.05~4%,所述的La2O3的质量百分含量为0.25~9.0%,所述的LaFeO3的质量百分含量为17.0~30.0%,所述的SiO2的质量百分含量为55.0~85.0%。
而且,优选地,以催化剂总质量为基准,所述的金属Pt的质量百分含量为0.15~0.3%,所述的NiO的质量百分含量为0.08~3.82%,所述的La2O3的质量百分含量为0.29~8.58%,所述的LaFeO3的质量百分含量为17.3~29.48%,所述的SiO2的质量百分含量为57.82~82.18%。
一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,步骤如下:
步骤一,将硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸溶于去离子水,加入络合剂柠檬酸和乙二醇,所述的硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸、柠檬酸和乙二醇的摩尔比为1:(0.5~1.0):(0.005~0.45):(0.005~0.015):(0.5~3.0):(0.1~5.0);
步骤二,将SiO2进行预处理,700~750℃下高温焙烧5~6h,升温速率为5℃/min;然后将步骤一所得的混合溶液逐滴滴加到处理后的SiO2上,进行等体积浸渍;
步骤三,将浸渍后的SiO2干燥,然后在马弗炉空气气氛下,自20~25℃升温至350~400℃,焙烧2~3h,升温速度为1~5℃/min;再以1~5℃/min升温速度升温至700~800℃焙烧5~6h,得到LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体;自然冷却至550~600℃后,在H2-N2气氛中充分还原LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体,得到所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂,即Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂。
而且,步骤一中,所述的硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸、柠檬酸和乙二醇的摩尔比为1:(0.6~0.95):(0.01~0.4):(0.008~0.01):(1.0~2.5):(1~4.5)。
而且,步骤二中,浸渍的时间为24h,温度为室温。
而且,步骤三中,干燥的条件为先在80~90℃下干燥6~7h然后在120~130℃下干燥12~13h。
而且,步骤三中,优选地,在马弗炉空气气氛下,自22~25℃升温至360~380℃,焙烧2.5~3h,升温速度为1~5℃/min;再以1~5℃/min升温速度升温至750~770℃焙烧5.5~6h。
而且,在步骤三中,自然冷却至580~590℃。
而且,步骤三中,在H2-N2气氛中还原的时间为2~3h,H2氢气的体积比为5%。
一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂在异丁烷脱氢中的应用。
在异丁烷脱氢时,步骤如下:
步骤一,将Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂进行压片处理并筛分得到40~60目的颗粒并装入固定床反应器,通入氢氮混合气,以2℃/min的升温速率升温至580~590℃对催化剂进行还原,还原时间为2~2.5h,氢氮混合气中H2体积比为5%;
步骤二,待还原完成后,在常压和催化剂床层温度为560℃的条件下,向反应器中以3h-1的质量空速下通入H2和i-C4H10的反应气进行反应,H2与i-C4H10的体积比为1:1,反应时间为10~280分钟。
本发明的有益效果为:
与现有技术相比,本发明选择的SiO2具有大的比表面积,使各组分可以高度分散,这样催化剂不易聚集烧结;同时在钙钛矿结构中掺入Pt,由于钙钛矿的特殊结构,还原后的Pt粒子颗粒小且颗粒之间有钙钛矿粒子、氧化镧和氧化镍粒子起到分散的作用,使之更多地暴露活性位点,在高温下不易团聚,从而提高了催化剂的稳定性和反应的活性。Ni助剂的加入明显提高了反应的转化率、选择性和稳定性。
附图说明
图1是0.15%Pt、3%Ni含量的负载型钙钛矿的XRD谱图。其中◆为钙钛矿衍射峰。
图2是0.15%Pt、3%Ni含量的负载型钙钛矿还原后的XRD谱图。其中◆为钙钛矿衍射峰,·是FeNi合金的峰,为NiO的峰。
图3是还原后的Pt、Ni含量分别为0.15%和3%的Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
(1)取SiO2白色粉末于200mL坩埚,并置于马弗炉。以5℃/min的升温速率升至700℃焙烧5h。取2.1g SiO2于25mL小烧杯。
(2)取1.5919g六水合硝酸镧,0.8564g九水合硝酸铁,0.4462g六水合硝酸镍,1.2mL1.93×10-2mol/L的氯铂酸溶液于25mL小烧杯,加入7.2mL去离子水溶解。
(3)取1.6951g无水柠檬酸,0.1mL乙二醇加入上述溶液,搅拌溶解并混合均匀。
(4)将(3)中得到的溶液逐滴滴入(1)中的SiO2载体上,室温静置充分浸渍24h,得到凝胶状固体。
(5)将上述凝胶状固体80℃下干燥6h,120℃干燥12h,干燥的产物在马弗炉中350℃焙烧2h,700℃焙烧5h,得到LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2(x=0.417,y=0.006)催化剂前驱体,x、y代表Ni和Pt在钙钛矿中的原子数。
(6)将LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2(x=0.417,y=0.006)催化剂前驱体进行压片处理并筛分得到40~60目的颗粒状催化剂。
(7)将0.4g颗粒状的LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体装入固定床反应器,通入氢氮混合气,以2℃/min的升温速率升温至580℃对催化剂进行还原,还原时间为2h,氢氮混合气中H2体积比为5%;
(8)待还原完成后,在常压和催化剂床层温度为560℃的条件下,向反应器中以异丁烷质量空速为3h-1通入反应气,H2和i-C4H10摩尔比为1:1。
上述步骤(5)中得到LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体后,令LaFe1-x-yNix PtyO3/SiO2催化剂前驱体在H2-N2气氛下还原1h,得到Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂,其XRD谱图如图1所示(XRD在德国布鲁克AXS有限公司D8-Focus型X射线衍射仪上进行。测试前,将催化剂研磨至粉末,并将粉末状样品平铺于样品槽中。CuKα(λ=0.15406nm)射线作为辐射源,管电压40kV,管电流为200mA,2θ测角范围为15-80℃扫描速度为8℃/min)。还原后所得Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂的TEM如图3所示(样品的场发射透射电子显微镜照片在日本电子公司型号为JEOL JEM-2100F的电子显微镜上获得。测试样品经过研磨、超声后分散于乙醇中,并将得到的悬浊液置于铜网上,待样品干燥之后即可进行测试)。
上述步骤(8)结束后所得的反应产物采用气相色谱仪进行分析,异丁烷转化率、异丁烯选择性与时间的关系如表1所示,异丁烷转化率、各产物选择性计算公式如下:
i-C4H10转化率%=尾气中产物总碳原子数/尾气中(包括未反应反应物)总碳原子数×100%
产物选择性%=尾气中某一组分的碳原子数/尾气中产物总碳原子数×100%
表1不同反应时间的异丁烷转化率、异丁烯选择性
反应时间(min) | 异丁烷转化率(%) | 异丁烯选择性(%) |
10 | 13.87470758 | 62.56211035 |
70 | 18.25350179 | 84.8972094 |
130 | 19.69327649 | 88.03171902 |
190 | 19.39044677 | 90.28504702 |
250 | 19.88383402 | 91.2991156 |
280 | 19.84839224 | 91.58501193 |
由表1可见,随着时间进行,异丁烷转化率有所提高,异丁烯选择性也迅速增加。该催化剂具有良好的活性和较高的异丁烯选择性且稳定性好。
实施例2:
采用实施例1方法进行反应,其区别仅在于Pt占催化剂总质量的质量百分含量为0.3%。
实施例3:
采用实施例1方法进行反应,其区别仅在于Pt占催化剂总质量的质量百分含量为0.15%,NiO占催化剂总质量的质量百分比分别为0%。
关于上述实施例结果和数据,均采用反应后280min的活性数据做对比,以考察不同参数对催化剂反应性能的影响。
Pt质量百分含量对催化剂反应活性的影响,参见表2。反应条件同实施例1、2。
表2Pt质量百分含量对催化剂反应活性和丙烯选择性的影响
Pt质量百分含量(%) | 异丁烷转化率(%) | 异丁烯选择性(%) |
0.15 | 19.84839224 | 91.58501193 |
0.3 | 35.28894992 | 92.1994382 |
从表中结果可看,增加Pt的量后,转化率增加近一半,i-C4H8选择性变化不大。
Ni元素质量百分含量对催化剂反应活性的影响,参见表3。反应条件同实施例1、3。
表3Ni元素质量百分含量对催化剂反应活性和丙烯选择性的影响
Ni质量百分含量(%) | 异丁烷转化率(%) | 异丁烯选择性(%) |
0 | 12.58378407 | 68.91346828 |
3.0 | 19.84839224 | 91.58501193 |
从表中结果可看,加入3.0%Ni元素后,异丁烷转化率提高,i-C4H8选择性增加,副产物量减少。可见:Ni的加入对异丁烷脱氢起到了促进作用,且提高了催化剂的稳定性。
依照本发明内容记载工艺条件进行制备,均可制备本发明中所述的高分散于载体SiO2的Pt基催化剂且表现出与实施例基本一致的性能。以上对本发明的技术方案做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本技术方案的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂,其特征在于:以SiO2为载体,金属Pt为活性组分,NiO、La2O3和LaFeO3为助剂;以催化剂总质量为基准,所述的金属Pt的质量百分含量为0.1~0.3%,所述的NiO的质量百分含量为0.05~4%,所述的La2O3的质量百分含量为0.25~9.0%,所述的LaFeO3的质量百分含量为17.0~30.0%,所述的SiO2的质量百分含量为55.0~85.0%。
2.根据权利要求1所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂,其特征在于:以催化剂总质量为基准,所述的金属Pt的质量百分含量为0.15~0.3%,所述的NiO的质量百分含量为0.08~3.82%,所述的La2O3的质量百分含量为0.29~8.58%,所述的LaFeO3的质量百分含量为17.3~29.48%,所述的SiO2的质量百分含量为57.82~82.18%。
3.一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤一,将硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸溶于去离子水,加入络合剂柠檬酸和乙二醇,所述的硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸、柠檬酸和乙二醇的摩尔比为1:(0.5~1.0):(0.005~0.45):(0.005~0.015):(0.5~3.0):(0.1~5.0);
步骤二,将SiO2进行预处理,700~750℃下高温焙烧5~6h,升温速率为5℃/min;然后将步骤一所得的混合溶液逐滴滴加到处理后的SiO2上,进行等体积浸渍;
步骤三,将浸渍后的SiO2干燥,然后在马弗炉空气气氛下,自20~25℃升温至350~400℃,焙烧2~3h,升温速度为1~5℃/min;再以1~5℃/min升温速度升温至700~800℃焙烧5~6h,得到LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体;自然冷却至室温后,在H2-N2气氛中充分还原LaFe1-x-yNixPtyO3/SiO2催化剂前驱体,得到所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂,即Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述的硝酸镧、硝酸铁、硝酸镍、氯铂酸、柠檬酸和乙二醇的摩尔比为1:(0.6~0.95):(0.01~0.4):(0.008~0.01):(1.0~2.5):(1~4.5)。
5.根据权利要求3所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于:步骤二中,浸渍的时间为24h,温度为室温。
6.根据权利要求3所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于:步骤三中,干燥的条件为先在80~90℃下干燥6~7h然后在120~130℃下干燥12~13h。
7.根据权利要求3所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于:步骤三中,优选地,在马弗炉空气气氛下,自22~25℃升温至360~380℃,焙烧2.5~3h,升温速度为1~5℃/min;再以1~5℃/min升温速度升温至750~770℃焙烧5.5~6h。
8.根据权利要求3所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂的制备方法,其特征在于:步骤三中,自然冷却至580~590℃,在H2-N2气氛中还原的时间为2~3h,H2氢气的体积比为5%。
9.如权利要求1或2所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂在异丁烷脱氢中的应用。
10.根据权利要求9所述的一种高分散于载体SiO2的Pt基催化剂在异丁烷脱氢中的应用,其特征在于步骤如下:
步骤一,将Pt-NiO-La2O3-LaFeO3/SiO2催化剂进行压片处理并筛分得到40~60目的颗粒并装入固定床反应器,通入氢氮混合气,以2℃/min的升温速率升温至580~590℃对催化剂进行还原,还原时间为2~2.5h,氢氮混合气中H2体积比为5%;
步骤二,待还原完成后,在常压和催化剂床层温度为560℃的条件下,向反应器中以3h-1的质量空速下通入H2和i-C4H10的反应气进行反应,H2与i-C4H10的体积比为1:1,反应时间为10~280分钟。
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