CN108772097A - 一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属‑固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,将固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.1‑1.8充分混合均匀后,于450‑580℃下密封焙烧0.1‑6小时得到固体酸碱双功能核壳催化剂,再将金属盐溶液等体积浸渍到固体酸碱双功能核壳催化剂上,经干燥、焙烧后得到金属‑固体酸碱多功能核壳催化剂。与现有技术相比,本发明制备的金属‑固体酸碱多功能核壳催化剂具有金属分散度高、可还原性高以及固体酸碱双功能核壳催化剂可控酸碱性的特点;本发明合成工艺简单,不需要多步操作,也无需额外加入价格高昂的添加剂;通过调节金属盐、固体酸源和固体碱源的种类和相对含量,可有效地调控金属的分散度和可还原性以及核壳催化剂的酸碱性和形貌。

Description

一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及催化化学技术领域,特别是一种高分散度、高可还原性的金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法。
背景技术
沸石分子筛具有可调节的酸性,优异的孔道择形性和水热稳定性,它的设计合成以及性能应用在吸附、分离和催化等领域受到广泛关注,在大分子催化、精细化工领域广泛应用。类石墨相氮化碳的利用对于化学工业意义重大,在光催化和碱催化领域广泛应用。
对于催化反应中常用的金属-沸石分子筛催化剂,金属的引入通常采用金属盐溶液等体积浸渍到沸石分子筛上的方法,此传统浸渍方法存在以下不足:金属活性组分分散不均匀,过量聚集在分子筛表面,覆盖分子筛的酸中心;金属盐溶液与分子筛发生离子交换作用,影响分子筛的酸性;金属活性组分与分子筛表面的硅酸根发生强相互作用生成金属硅酸盐,金属硅酸盐难以还原,降低金属活性组分的催化作用。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足,提供一种高分散度、高可还原性金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法。
为达到上述目的,本发明是按照以下技术方案实施的:
一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,包括以下步骤:将固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.1-1.8充分混合均匀后,于450-580℃下密封焙烧0.1-6小时得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将金属盐和去离子水混合后,超声震荡1-3小时充分混合均匀得到金属盐溶液,再将金属盐溶液等体积浸渍到固体酸碱双功能核壳催化剂上,固体酸碱双功能核壳催化剂作为载体,等体积浸渍就是载体的体积(即孔体积)和浸渍液的体积一致,浸渍液刚好能完全进入到孔里面,其中金属盐中的金属元素与固体酸碱双功能核壳催化剂的质量比为0.01-1:1,去离子水与固体酸碱双功能核壳催化剂的质量比为0.5-1:1;然后用玻璃棒搅拌15-20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,于450-580℃下焙烧0.1-6小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。本技术方案中,固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.1-1.8,金属盐中的金属元素和固体酸碱双功能核壳催化剂按质量比为0.01-1:1。在此物料比例下,既可以保证合成出金属-固体酸碱多功能核壳催化剂,又不会造成浪费,温度过高或过低,时间过长或过短都将会影响金属的分散度、可还原性以及核壳催化剂的酸碱性和形貌,因此焙烧温度设置为450-580℃。
优选地,所述固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.2-1.4。在此物料比例下,固体酸源、固体碱源的相对含量适宜,使碱源均匀包覆酸源,最有利于控制核壳催化剂的酸碱性以及形貌。
优选地,所述金属盐中的金属元素与固体酸碱双功能核壳催化剂按质量比为0.01-0.2:1。在此物料比例下,金属盐中的金属元素和固体酸碱双功能核壳催化剂的相对含量适宜,使金属盐在固体酸碱双功能核壳催化剂上均匀地分散,具有高可还原性。
优选地,所述充分混合均匀后的固体酸源和固体碱源放置于锡箔纸封口的加盖坩埚内,于马弗炉中焙烧。
优选地,所述金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、硝酸钯、硝酸银、硝酸钌、硝酸铂、硝酸锆中的一种。这些金属盐颗粒尺寸小,易溶于水,分散均匀。
优选地,所述固体酸源为ZSM-5、SAPO-34、Y或β沸石分子筛中的一种。选用沸石分子筛的原因是沸石分子筛的酸强度和酸量适宜。
优选地,所述固体碱源为单氰胺、双氰胺、尿素、硫脲、盐酸胍、三聚氰胺中的一种。由于这些固体碱源都是合成类石墨相氮化碳的前驱体,廉价易得,高温下固体碱源热解发生相互交联,形成显碱性的类石墨相氮化碳。当然固体碱源也可以选用其他含氮化合物。
优选地,所述固体酸源和固体碱源充分混合均匀的方法为机械混合法或有机溶剂蒸发诱导法。
优选地,所述机械混合法包括如下步骤:将固体酸源和固体碱源置于研钵或球磨机中,研磨10-60分钟。
优选地,所述有机溶剂蒸发诱导法包括如下步骤:将固体酸源加入到有机溶剂中,室温搅拌15-30分钟,再将固体碱源加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15-30分钟后,于50-100℃下加热搅拌1-3小时至有机溶剂全部蒸发为止。
优选地,所述有机溶剂为无水乙醇。由于无水乙醇廉价易得,固体酸源和固体碱源在无水乙醇中溶解性好、充分混合、分散均匀。
与现有技术相比,本发明合成工艺简单,不需要多步操作,也无需额外加入价格高昂的添加剂;金属盐溶液在显碱性的类石墨相氮化碳上生成高沸点金属氢氧化物,可有效地避免金属盐在烘干、焙烧过程中熔融长大,显著提高金属的分散度和可还原性。本发明制备的金属-固体酸碱多功能核壳催化剂既能保护分子筛酸性不受金属盐浸渍过程的影响,同时分子筛表面显碱性的类石墨相氮化碳使得浸渍的金属具有高分散度和高可还原性。而且本发明充分考虑了沸石分子筛的酸性与类石墨相氮化碳的碱性的结合,通过类石墨相氮化碳包覆沸石分子筛,达到控制分子筛酸中心数量的同时提高分子筛表面碱性的目的;通过调节金属盐、固体酸源和固体碱源的种类和相对含量,可有效地调控金属分散度、可还原性以及核壳催化剂的酸碱性和形貌。
附图说明
图1为对应实施例1、2、3、4样品的XRD谱图。
图2为对应实施例1、4样品的H2-TPR曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述,此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
实施例1
将0.443g硝酸铜和1.05g去离子水混合后,超声震荡2小时充分混合均匀得到硝酸铜溶液,再将硝酸铜溶液加入到含有1.5gZSM-5分子筛的烧杯中,用玻璃棒搅拌20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例2
将2.5gZSM-5分子筛加入到37.5g无水乙醇中,室温搅拌15分钟,再将0.5g三聚氰胺加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15分钟后,于77℃下加热搅拌2.5小时至无水乙醇全部蒸发为止,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,540℃焙烧5小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.443g硝酸铜和1.05g去离子水混合后,超声震荡2小时充分混合均匀得到硝酸铜溶液,再将硝酸铜溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例3
将2.5gZSM-5分子筛加入到25.9g无水乙醇中,室温搅拌15分钟,再将1g三聚氰胺加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15分钟后,于77℃下加热搅拌2.5小时至无水乙醇全部蒸发为止,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,450℃焙烧6小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.443g硝酸铜和1.05g去离子水混合后,超声震荡2小时充分混合均匀得到硝酸铜溶液,再将硝酸铜溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例4
将2.5gZSM-5分子筛加入到25.9g无水乙醇中,室温搅拌15分钟,再将2g三聚氰胺加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15分钟后,于77℃下加热搅拌2.5小时至无水乙醇全部蒸发为止,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,550℃焙烧3小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.443g硝酸铜和1.05g去离子水混合后,超声震荡2小时充分混合均匀得到硝酸铜溶液,再将硝酸铜溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例5
将2.5gSAPO-34分子筛和1.25g尿素加入至球磨罐,6500rpm下球磨1小时,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,490℃焙烧5小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.024g硝酸银和0.75g去离子水混合后,超声震荡2小时充分混合均匀得到硝酸银溶液,再将硝酸银溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌17min至均匀,经90℃下干燥12小时后,450℃焙烧6小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例6
将2.5gβ沸石分子筛加入到28.7g无水乙醇中,室温搅拌15分钟,再将1.5g盐酸胍加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15分钟后,于77℃下加热搅拌2.5小时至无水乙醇全部蒸发为止,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,480℃焙烧5小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.074g硝酸铂和0.825g去离子水混合后,超声震荡3小时充分混合均匀得到硝酸铂溶液,再将硝酸铂溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌19min至均匀,经90℃下干燥12小时后,480℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例7
将2.5gY沸石分子筛和2g单氰胺加入至玛瑙研钵,研磨35分钟,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,500℃焙烧6小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.235g硝酸钌和0.9g去离子水混合后,超声震荡1小时充分混合均匀得到硝酸钌溶液,再将硝酸钌溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌15min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧2小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例8
将2.5gβ沸石分子筛和2.25g尿素加入至球磨罐,6500rpm下球磨1小时,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,560℃焙烧5小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.593g硝酸钴和0.975g去离子水混合后,超声震荡3小时充分混合均匀得到硝酸钴溶液,再将硝酸钴溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌18min至均匀,经90℃下干燥12小时后,520℃焙烧5小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例9
将2.5gSAPO-34分子筛和2.75g尿素加入至球磨罐,6500rpm下球磨1小时,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,450℃焙烧3小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.467g硝酸镍和1.05g去离子水混合后,超声震荡2.5小时充分混合均匀得到硝酸镍溶液,再将硝酸镍溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,550℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例10
将2.5gSAPO-34分子筛和3.5g硫脲加入至玛瑙研钵,研磨35分钟,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,550℃焙烧3小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将0.422g硝酸钯和1.2g去离子水混合后,超声震荡1.5小时充分混合均匀得到硝酸钯溶液,再将硝酸钯溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌18min至均匀,经90℃下干燥12小时后,580℃焙烧1小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例11
将2.5gY沸石分子筛和3.75g硫脲加入至球磨罐,6500rpm下球磨1小时,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,470℃焙烧4小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将1.628g硝酸铁和1.05g去离子水混合后,超声震荡1小时充分混合均匀得到硝酸铁溶液,再将硝酸铁溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌19min至均匀,经90℃下干燥12小时后,500℃焙烧6小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例12
将2.5gY沸石分子筛加入到40.5g无水乙醇中,室温搅拌15分钟,再将4g三聚氰胺加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15分钟后,于77℃下加热搅拌2.5小时至无水乙醇全部蒸发为止,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,580℃焙烧6小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将1.271g硝酸锆和1.35g去离子水混合后,超声震荡1.5小时充分混合均匀得到硝酸锆溶液,再将硝酸锆溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌16min至均匀,经90℃下干燥12小时后,450℃焙烧2小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
实施例13
将2.5gβ沸石分子筛和4.5g双氰胺加入至玛瑙研钵,研磨35分钟,所得样品于90℃下干燥12小时后转移至锡箔纸封口的加盖坩埚内,510℃焙烧3小时后得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将1.365g硝酸锌和1.5g去离子水混合后,超声震荡3小时充分混合均匀得到硝酸锌溶液,再将硝酸锌溶液加入到含有1.5g固体酸碱双功能核壳催化剂的烧杯中,用玻璃棒搅拌15min至均匀,经90℃下干燥12小时后,560℃焙烧4小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
如图1所示,图1中的a-d分别对应实施例1、2、3、4样品的XRD谱图,从图中可以看出实施例1、2、4样品在2θ=36.32°、38.06°处出现较强的衍射峰,属于氧化铜的特征衍射峰,实施例3样品在2θ=36.32°、38.06°处基本没有出现衍射峰,证明实施例3的样品,氧化铜颗粒尺寸非常小,分散得非常均匀。
分别取实施例1、4制得的金属-固体酸碱多功能核壳催化剂作为样品,分别进行H2-TPR测试。
H2-TPR测样过程:先将50mg样品在500℃下高纯He气流中(50ml/min)预处理2小时,然后降温至100℃,气体切换为纯H2处理1小时,之后用He气流吹扫至基线平稳,最后以10℃/min的速率升温至900℃进行程序升温还原反应,在线使用热导池检测器检测尾气中的氢气含量变化情况。
如图2所示,图2中a-b分别对应实施例1、4样品的H2-TPR曲线,从图中可以看出浸渍到固体酸碱载体上的氧化铜还原峰向低温区移动且耗氢量增大,说明此样品中氧化铜的可还原性提高。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形,均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.1-1.8充分混合均匀后,于450-580℃下密封焙烧0.1-6小时得到固体酸碱双功能核壳催化剂;将金属盐和去离子水混合后,超声震荡1-3小时充分混合均匀得到金属盐溶液,再将金属盐溶液等体积浸渍到固体酸碱双功能核壳催化剂上,其中金属盐中的金属元素与固体酸碱双功能核壳催化剂的质量比为0.01-1:1,去离子水与固体酸碱双功能核壳催化剂的质量比为0.5-1:1;然后用玻璃棒搅拌15-20min至均匀,经90℃下干燥12小时后,于450-580℃下焙烧0.1-6小时后得到金属-固体酸碱多功能核壳催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述固体酸源和固体碱源按质量比为1:0.2-1.4;金属盐中的金属元素与固体酸碱双功能核壳催化剂的质量比为0.01-0.2:1。
3.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述充分混合均匀后的固体酸源和固体碱源放置于锡箔纸封口的加盖坩埚内,于马弗炉中焙烧。
4.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述金属盐为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、硝酸钯、硝酸银、硝酸钌、硝酸铂、硝酸锆中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述固体酸源为ZSM-5、SAPO-34、Y或β沸石分子筛中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述固体碱源为单氰胺、双氰胺、尿素、硫脲、盐酸胍、三聚氰胺中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述固体酸源和固体碱源充分混合均匀的方法为机械混合法或有机溶剂蒸发诱导法。
8.根据权利要求7所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述机械混合法包括如下步骤:将固体酸源和固体碱源置于研钵或球磨机中,研磨10-60分钟。
9.根据权利要求7所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述有机溶剂蒸发诱导法包括如下步骤:将固体酸源加入到有机溶剂中,室温搅拌15-30分钟,再将固体碱源加入至上述混合溶液中,继续室温搅拌15-30分钟后,于50-100℃下加热搅拌1-3小时至有机溶剂全部蒸发为止。
10.根据权利要求9所述的一种金属-固体酸碱多功能核壳催化剂的制备方法,其特征在于:所述有机溶剂为无水乙醇。
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