CN108067257B - 一种高活性位暴露的纳米二硫化钼加氢催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高活性位暴露的纳米二硫化钼(MoS2)加氢催化剂的制备方法。该发明包括以下步骤:将一定量的钼源和硫源溶于或分散于高粘度溶液中,加入还原剂得到溶液或悬浊液;调控钼源、硫源、溶剂和还原剂的种类;所配溶液或悬浊液置于密闭的不锈钢反应釜中,控制反应温度为120~240℃,反应时间为3~72小时;反应结束后冷却、抽滤、洗涤、干燥,得到高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂。本发明的合成方法具有条件温和,操作简单,产率高等优点,所制备的层间距扩大的少层纳米MoS2催化剂具有高的加氢活性位暴露率。本发明方法合成高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂用于油品催化加氢领域具有极高的催化加氢活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂的制备方法,属于高效纳米催化剂可控制备及催化加氢领域。
背景技术
过渡金属硫化物MoS2具有典型的层状结构,层与层之间以较弱的范德华力相结合,容易剥离,单原子层中每个钼原子被六个硫原子所包围,呈三角棱柱状,暴露出很多Mo-S棱面,可作为催化活性中心。(参见Chianelli,R.R.Catal.Rev.2006,48(1),1-41)由于MoS2具有特殊的层状结构、各向异性、电子性能和类贵金属性质等特点,目前关于该材料的研究主要集中在催化加氢、摩擦润滑、电子探针、储氢材料、电极材料和光电化学制氢催化剂等诸多领域。MoS2已经成为当今国内外化学、物理、材料科学等领域研究的热点材料。
由于人们对层状MoS2材料研究兴趣的增加,又因其具有较高的加氢活性和良好的抗中毒能力,被广泛用于炼油工业的催化剂如油品加氢精制领域,包括加氢反应、加氢脱硫、加氢脱氧、以及加氢脱氮等反应。(参见Prins,R.et al.Catal.Today 2006,111(1–2),84-93)MoS2材料的催化加氢活性与其结构特征息息相关,由于MoS2的催化加氢活性中心主要位于边面,面能量较高,为0.7J/m2,表面活泼,不稳定,提供多相催化加氢反应的活性中心。减小催化剂的尺寸、降低堆积层数和增大其层间距均可以有效增加MoS2加氢活性边位的暴露,从而得到高活性的加氢催化剂。
迄今为止,有多种纳米MoS2的制备方法,产物的形貌也有多种。CN 101234785A公开了一种具有富勒烯结构的纳米MoS2的制备方法。该方法中是以气固反应为主,通过高温氢气还原及硫化实现,制备条件对设备要求比较高,与本方法不同。CN 103086436公开了一种在反应体系中花状和棒状纳米MoS2的制备方法,该方法中需添加无机盐进行辅助调控制备花状和棒状的纳米MoS2,制备的尺寸多在几百纳米级别,堆积层数较多。CN 102398920A公开了一种射流空化技术制备二维纳米MoS2的制备方法,该方法是在液相中直接分散和剥离MoS2大规模制备二维纳米MoS2,该方法原料采用微米级别的MoS2为原料,采用加压方式剥离制备的二维纳米MoS2。采用物理方法制备的纳米MoS2的可控性较低,且剥离得到的片层MoS2用于催化反应中具有较差的稳定性。CN 201310657258.4公开了一种水热法制备MoS2纳米片催化剂的合成方法,制备的MoS2纳米片的尺寸在30-100nm,堆积层数3-9层。尽管该方法制备的催化剂已经具有较小的尺寸和较低的堆积度,但是并没有最大化暴露催化剂的加氢活性位。
为了实现高效的加氢反应,拓展MoS2的实际应用前景,采用简单的合成方法制备高活性暴露的MoS2纳米催化剂,可为重质、劣质油品加氢制取清洁燃料提供重要的高活性催化剂。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题,提供一种高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂的制备方法。
本发明所采用的方法如下:
1.配制溶液或悬浊液:将钼源、硫源、还原剂先后溶解或分散于去离子水中形成均一的溶液或悬浊液。
2.水热反应:将溶液转移至水热反应釜中,密封,置于烘箱中120~240℃水热反应3~72小时。
3.分离洗涤:采用常规的分离手段,如抽滤,沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤,干燥,得到黑色粉末状样品。
4.表征分析:所得产物用XRD(X射线粉末衍射)对其进行晶相结构、层间距表征,结果显示所得黑色粉末为MoS2,晶化度良好,计算得到层间距为0.98nm,相比于标准MoS2的层间距0.62nm有明显增加(参见图1);用HRTEM(高分辨透射电子显微镜)表征其层间距、堆积层数、片层尺寸,HRTEM照片显示制备的MoS2为片层尺寸长度在5~10nm,堆积层数<4层,层间距扩大到0.98nm的纳米片(参见图2)。
5.加氢活性评价:本发明的MoS2催化剂用于蒽悬浮床加氢反应中深度加氢产物选择高达78%,是商品MoS2催化剂的31.2倍;加氢率达到51%,是商品MoS2的3.2倍(参见图3)。
以上所述钼源为七钼酸铵、钼酸钠、氧化钼、磷钼酸或二者的混合物,所用硫源为硫粉、硫化铵、硫化钠、硫化钾中的一种或其混合物,所用的高粘度溶剂为乙二醇、二甘醇或甘油中的一种或二种以上混合物,所用的还原剂为水合肼、盐酸羟胺、柠檬酸、葡萄糖一种或者多种。钼源的浓度为0.01-0.4M之间;S/Mo的原子比为1:1~5:1;还原剂的加入量与钼原子的摩尔比值在1:10~10:1。
在反应过程中,钼源、硫源在还原剂作用下形成MoS2的晶核,晶核团聚生长形成MoS2颗粒。相比于常规的水溶液合成中,高粘度的溶剂分子可以减慢其扩散,高效地阻止MoS2晶核的团聚、堆积,从而得到纳米尺寸的较小的MoS2纳米片以及比较少的堆积层数。以乙二醇为例,其粘度是水溶液的约10倍,水溶液在相同温度条件下,单位时间内生成少量的大晶核,且晶核扩散速度较快,发生团聚生成大尺寸的高堆积度MoS2纳米片。而乙二醇溶液中单位时间内生成大量的小晶核,且晶核扩散速度较慢,不易于发生团聚和堆积。在较慢的扩散过程中,前驱体中大量的阳离子如铵根、Na+、K+离子等被包覆在MoS2晶核的层间。晶化之后导致插入MoS2层间得到层间距扩大的MoS2纳米催化剂。反应方程式如下(以七钼酸铵与硫粉为原料,水合肼为还原剂的反应为例):
(NH4)6Mo7O24+17S+48N2H4→7MoS2+3(NH4)2S+24N2+48NH3+24H2O
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果:
1.本发明所采用溶剂的沸点较高(>198℃),因此合成体系为低压体系,水热反应温度为120~240℃,时间为3~72小时,相对于溶剂的沸点,所用的合成温度较低,体系具有较低的压力,合成条件安全、温和。
2.本发明所采用的高粘度溶剂有效地调控了晶化成核数量和速度,以及合成过程中的扩散速度,制备得到了高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂的制备。
3.本发明提供了一种有效控制水热产物片层尺寸(5~10nm)、堆积层数(<4层)、层间距(0.98nm)的方法,即通过调控晶化过程的速度和阳离子的插入,实现了层间距扩大的少层纳米MoS2催化剂的制备,最终达到增加活性位暴露的目的。该方法可用于类似材料的活性位暴露调控。
4.本发明合成的纳米MoS2加氢催化剂用于蒽模型化合物的加氢反应中具有非常高的催化加氢活性。本发明中的催化剂具有高活性边位暴露,有望用于真实油品加氢制清洁燃料和电化学电极材料等方面。
附图说明
图1高活性位暴露的纳米MoS2催化剂的XRD谱图,商品MoS2作为对照;
图2高活性位暴露的纳米MoS2催化剂的高分辨电镜图,商品MoS2作为对照;
图3高活性位暴露的纳米MoS2催化剂的加氢活性图,商品MoS2作为对照;
具体实施方式
下面结合具体实验实例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1:
将1.62mmol的七钼酸铵和4.25mmol硫粉分散于50ml乙二醇中,形成0.016M的钼源悬浊液,S/Mo比值为3:1,加入6.25ml水合肼,使其与Mo原子的比例为7:1。超声10min后,充分搅拌后将该悬浊液转移至100ml水热釜中,180℃下反应6小时,自然冷却至室温,抽滤,沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤,70℃真空干燥过夜,收集MoS2样品。作为对比,选用商品MoS2进行表征和活性评价。对两个样品进行XRD和HRTEM表征,发现两种产物成分均为MoS2,但是不同于商品MoS2的大块多层堆积结构,本发明制备的MoS2具有扩大的层间,较低的堆积度和较小的片层尺寸(见图1和图2)。将二者用于模型化合物加氢反应,其催化加氢活性远远高于商品MoS2(见图3)。
实施例2:
将5mmol的钼酸纳和20mmol硫化钠分散于50ml乙二醇中,形成0.1M的钼源溶液,S/Mo比值为4:1,加入10mmol草酸,使其与Mo原子的比例为2:1。超声10min后,充分搅拌后将该悬浊液转移至100ml水热釜中,160℃下反应24小时,自然冷却至室温,抽滤,沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤,70℃真空干燥过夜,收集MoS2样品。
实施例3:
将15mmol的氧化钼和30mmol硫化铵分散于50ml二甘醇中,形成0.3M的钼源溶液,S/Mo比值为2:1,加入15mmol葡萄糖,使其与Mo原子的比例为1:1。超声10min后,充分搅拌后将该悬浊液转移至100ml水热釜中,140℃下反应48小时,自然冷却至室温,抽滤,沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤,70℃真空干燥过夜,收集MoS2样品。
实施例4:
将0.5mmol的磷钼酸和6mmol硫化钾分散于50ml甘油中,形成0.01M的钼源溶液,S/Mo比值为1:1,加入0.6mmol盐酸羟胺,使其与Mo原子的比例为1:10。超声10min后,充分搅拌后将该悬浊液转移至100ml水热釜中,120℃下反应72小时,自然冷却至室温,抽滤,沉淀用去离子水和无水乙醇洗涤,70℃真空干燥过夜,收集MoS2样品。
Claims (10)
1.一种高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
1) 配制溶液:将钼源、硫源和还原剂分散或溶于高粘度溶剂中形成溶液或悬浊液;
2) 晶化:将上述溶液或悬浊液密封,升温进行溶剂热反应;
3)反应结束后分离固体产物,得到高活性位暴露的纳米MoS2加氢催化剂;
所用钼源为七钼酸铵、钼酸钠、氧化钼或磷钼酸中的一种或二种以上的混合物;
所用硫源为硫粉、硫化铵、硫化钠、硫化钾中的一种或二种以上的混合物;
还原剂的加入量与钼元素的摩尔比值在1:10~10:1;
步骤1)所述溶液中,Mo元素的浓度为0.01-0.4 M之间;S/Mo的原子比为1:1~5:1。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所用的高粘度溶剂为乙二醇、二甘醇或甘油中的一种或二种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所用的还原剂为水合肼、盐酸羟胺、柠檬酸、葡萄糖中的一种或者二种以上。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所用的还原剂的加入量与钼元素的摩尔比值在2:1~6:1。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2)所述的反应所用的溶剂沸点>198℃,反应温度为120~240℃。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤2)所述的反应的反应温度为120~198℃。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2)所述的反应时间为3~72小时。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:步骤2)所述的反应时间为12~48小时。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1)所述溶液中,Mo元素的浓度为0.05-0.2 M;S/Mo的原子比为2:1~3:1。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤3)所述分离固体产物的过程为抽滤,固体用去离子水或无水乙醇中的一种或二种洗涤,干燥,得到产物。
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GR01 | Patent grant | ||
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