CN109331823A - 一种烃脱氢催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烃脱氢催化剂及其制备方法和应用。该催化剂以CeO2掺杂的Mg‑Al复合氧化物为载体,Pt为活性组分,先采用碱沉淀法一步制备含Pt的Ce掺杂的Mg‑Al类水滑石,然后经焙烧、氢气还原得到Pt/Ce‑Mg‑Al‑O催化剂。该方法制备过程简单,不仅省去了传统负载过程,而且显著提高了Pt的分散度。所制备的催化剂在环烷烃的脱氢反应中,表现出优良的催化活性和抗积碳能力,在未来储氢技术工业化中具有良好的应用前景。

Description

一种烃脱氢催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于化学储氢领域,具体涉及一种烃脱氢催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着化石燃料的大量利用,非再生能源逐渐枯竭,且环境问题日益突出,已经严重威胁到人类的健康。氢能作为一种来源丰富且可再生的能源,因其高效无污染等优异特性,被视为21世纪甚至未来最理想的绿色能源,因此,开发氢能这种清洁高效的绿色新型能源对于解决能源潜在危机具有重要意义。然而,氢能的储存与释放限制了其大规模广泛应用,采用液体有机氢化物储氢可以解决氢能在运输和储存方面的难题,该方法具有安全稳定、储氢密度大和加氢-脱氢高度可逆等优点,但是脱氢反应是一个在反应过程中容易产生副产物的吸热反应,容易积碳导致催化剂失活。因此,使用简单的工艺流程制备一种低廉的催化剂,同时使催化剂具有高转化率、高稳定性、可循环利用等特性,是有机氢化物储氢技术工业化应用的关键所在。
目前脱氢催化剂多以贵金属为主,但贵金属成本较高,当前研究的重点主要集中在如何采用提高金属组分的分散度来减少贵金属的用量。氧化铝具有较大的比表面积,是脱氢催化剂常用的载体,但是其表面的酸性位点容易使催化剂结焦失活。通常采用在制备载体时加入碱金属来改善载体的酸性,提高催化剂的抗结焦能力,如文献1[ChineseJournal of Catalysis,2015,36,1060-1067]报道,添加MgO有利于调节Al2O3表面的酸性,使催化剂在脱氢反应中具有较好的活性和抗积碳能力。中国发明CN106622228A公开了一种Mg-Al水滑石中添加Ce或Zr的载体,Pt为活性组分的脱氢催化剂的制备方法。中国发明CN107376907A公开了一种以Mg-Al混合金属氧化物为载体,Pt为活性组分,Sn为助剂的铂锡负载型水滑石脱氢催化剂及其制备方法和应用。以Mg-Al混合金属氧化物为基础的载体在脱氢过程中具有优良的选择性,选择性高达99.9%。此外,文献2[Applied Catalysis BEnvironmental,2000,28,L77-L81]报道了CeO2是一种优良的促进剂,已广泛应用于各种催化过程,可改变某些活性组分的结构和电子性质,促进其还原。文献3[Applied CatalysisA: General,2006,315,58-67]报道了CeO2的存在可以抑制脱氢过程中催化剂表面的积碳形成,提高催化剂的稳定性。
常规的负载方法很难做到活性组分在载体上均匀的高度分散,难免会有一部分活性成分团聚在一起,且反应过程中有部分活性组分的流失。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种烃脱氢催化剂及其制备方法和应用,即:采用碱沉淀法一步制备含有活性组分的类水滑石,经过焙烧和还原,得到Pt/Ce-Mg-Al催化剂。此方法在制备时,把氯铂酸溶液与可溶性镁盐、可溶性铝盐和可溶性铈盐溶解在一起,与碱溶液生成沉淀,可以使Pt嵌入到水滑石的层间,实现催化剂中活性组分的分散度和稳定性的提升。另外,此方法省去了传统负载方法中的浸渍,干燥,焙烧过程,所获得的催化剂在环烷烃的脱氢反应中,具有优良的脱氢选择性、释氢速率以及抗积碳能力。
本发明的技术方案:
一种烃脱氢催化剂,记为Pt/Ce-Mg-Al-O,以CeO2作为助剂,CeO2掺杂的Mg-Al复合氧化物为载体,Pt为还原态,作为活性组分。
上述烃脱氢催化剂的制备方法,采用碱沉淀法一步合成催化剂前体,再经过还原得到成品催化剂,具体为先制备含Pt的Ce掺杂的Mg-Al水滑石,再经过焙烧和还原得Pt/Ce-Mg-Al-O催化剂,包括如下步骤:
将可溶性镁盐、铝盐、铈盐和氯铂酸溶解在去离子水中配成溶液A,将氢氧化钠和碳酸钠溶解在去离子水中配成溶液B,在剧烈搅拌条件下,将A溶液和B溶液同时缓慢滴加至反应器并充分混合,控制混合液的pH在9.5~10.5之间,反应后得到的悬浮液移至水热釜中晶化,得到含Pt的Ce掺杂的Mg-Al水滑石,再经过滤、洗涤、干燥、焙烧得到催化剂前体,最后氢气还原得到Pt/Ce-Mg-Al-O催化剂。
进一步地,制备时加入的氯铂酸溶液,以还原态的Pt计,其质量含量为催化剂总质量的0.2~1%。
进一步地,所制备的催化剂中,CeO2的质量含量为1~30%。
进一步地,所述的Mg-A1水滑石中,Mg/A1摩尔比为1~4:1。
进一步地,晶化温度为95~120℃,晶化时间为4-12小时。
进一步地,焙烧的温度为400~600℃,焙烧时间为4~8小时。
进一步地,氢气还原的温度为250~500℃,还原时间为3~7小时。
上述催化剂用于烃脱氢反应中,烃优选环已烷、甲基环己烷、乙基环已烷或十氢化萘等。
本发明的有益效果在于:
本发明制备的催化剂,不涉及负载过程以及负载后的干燥和焙烧过程,制备工艺简单,降低了催化剂的制备周期,CeO2的存在和本发明的制备方法显著提升了催化剂的稳定性和Pt的分散度,使得催化剂中活性组分Pt的负载量在明显降低的前提下仍能保持非常好的脱氢活性和稳定性,从而能够显著减少贵金属的使用,有效降低生产成本,所获得的催化剂在环烷烃的脱氢反应中,具有优良的脱氢选择性、释氢速率以及抗积碳能力。
附图说明
图1为本发明实施例1至4所得催化剂的X射线粉末衍射图谱。
具体实施方式
本发明通过以下实施实施例予以详细说明。
实施例中所用的试剂均为分析纯,水为超纯水。
实施例1
准确称取3.84g六水合硝酸镁、1.88g九水合硝酸铝、0.43g六水合硝酸铈(CeO2在载体中的质量含量为14%)和氯铂酸溶液(Pt在催化剂中的质量含量为0.4%)共溶于40mL的超纯水中,配制成溶液A;准确称取2.4g氢氧化钠和0.4g碳酸钠溶于50mL超纯水中,配制成溶液B。在剧烈搅拌下,将溶液A和溶液B滴加到三口烧瓶中,使两溶液混合均匀。在反应过程中,保持悬浮液的pH在9.5~10.5之间。在溶液A滴加完后,继续反应40min。将反应后的沉淀置于水热釜中,在95℃的干燥箱中晶化12h后取出,降至室温,经过抽滤、真空干燥和500℃焙烧得到催化剂前体。
催化剂前体用氢气在275℃还原5h,得到Pt/Ce-Mg-Al-O催化剂,为了对Ce含量加以区分,记为Pt/Ce14-Mg-Al-O。取上述得到的催化剂0.5g填充在反应管中,在甲基环己烷脱氢反应测试催化剂活性。待反应管温度升至350℃,甲基环己烷以0.1ml/min的速度经过催化剂床层发生脱氢反应。每隔1h取样一次,用气相色谱测其反应产物和产物浓度。平均转化率为99.2%,甲苯的选择性为99.9%,催化剂的释氢速速率达1368.2mmol/gPt/min。
实施例2
将Ce的含量改为1%,晶化温度改为120℃,晶化时间为4小时,焙烧时间为8h,Mg-Al摩尔比为1:1,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,所得催化剂记为Pt/Ce1-Mg-Al-O,此时,甲基环己烷的的脱氢转化率为77.9%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为1074 mmol/gPt/min
实施例3
将Ce的含量改为7%,焙烧温度改为600℃,焙烧时间为4h,Mg-Al摩尔比为4:1,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,所得催化剂记为Pt/Ce7-Mg-Al-O,此时甲基环己烷的脱氢转化率为93.3%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为1286.8 mmol/gPt/min。
实施例4
将Ce的含量改为21%,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,所得催化剂记为Pt/Ce21-Mg-Al-O,此时甲基环己烷的脱氢转化率为96.6%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为1332.4mmol/gPt/min。
实施例5
将氢气还原温度改为500℃,还原时间改为3h,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,此时甲基环己烷的脱氢转化率为71.2%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为982.0 mmol/gPt/min。
实施例6
将氢气还原温度改为250℃,还原时间改为8h,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,此时甲基环己烷的脱氢转化率为70.3%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为969.6 mmol/gPt/min。
实施例7
将焙烧温度改为400℃,其他催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,此时甲基环己烷在的转化率为64.9%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为895.2 mmol/gPt/min。
实施例8
将反应温度改为300℃,催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,此时甲基环己烷的脱氢转化率为55.2%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为761.3 mmol/gPt/min。
实施例9
将反应温度改为325℃,催化剂的制备工艺、流程和实验条件与实施例1一致,此时甲基环己烷的脱氢转化率为96.5%,甲苯选择性为99.9%,释氢速率为1331.0mmol/gPt/min。

Claims (10)

1.一种烃脱氢催化剂,其特征在于:该催化剂记为Pt/Ce-Mg-Al-O,以CeO2作为助剂,以CeO2掺杂的Mg-Al复合氧化物为载体,Pt为还原态,作为活性组分。
2.权利要求1所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,采用碱沉淀法一步合成催化剂前体,再经过还原得到成品催化剂,具体为先制备含Pt的Ce掺杂的Mg-Al水滑石,再经过焙烧和还原得Pt/Ce-Mg-Al-O催化剂,包括如下步骤:
将可溶性镁盐、铝盐、铈盐和氯铂酸溶解在去离子水中配成溶液A,将氢氧化钠和碳酸钠溶解在去离子水中配成溶液B,在剧烈搅拌条件下,将A溶液和B溶液同时缓慢滴加至反应器并充分混合,控制混合液的pH在9.5~10.5之间,反应后得到的悬浮液移至水热釜中晶化,得到含Pt的Ce掺杂的Mg-Al水滑石,再经过滤、洗涤、干燥、焙烧得到催化剂前体,最后氢气还原得到Pt/Ce-Mg-Al-O催化剂。
3.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,制备时加入的氯铂酸溶液,以还原态的Pt计,其质量含量为催化剂总质量的0.2~1%。
4.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,所制备的催化剂中,CeO2的质量含量为1~30%。
5.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,所述的Mg-A1水滑石中,Mg/A1摩尔比为1~4:1。
6.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,晶化温度为95~120℃,晶化时间为4-12小时。
7.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,焙烧的温度为400~600℃,焙烧时间为4~8小时。
8.根据权利要求2所述的烃脱氢催化剂的制备方法,其特征在于,氢气还原的温度为250~500℃,还原时间为3~7小时。
9.权利要求1所述的催化剂在烃脱氢反应中的应用。
10.根据权利要求9的应用,其特征在于,所述的烃为环已烷、甲基环己烷、乙基环已烷或十氢化萘。
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