CN110038563A - 一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂及其制备方法,涉及以氧化铝为载体,钌金属为活性组分,在氧化铝负载钌催化剂上引入炭层的催化剂制备方法。具体步骤是先往氧化铝中引入钌金属,然后浸渍钡前驱体水溶液得到氧化铝负载钌催化剂,接着在含炭气体中于一定温度反应一定时间即得到所述的炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂。与已有方法制备出的炭‑氧化铝复合材料负载钌金属催化剂相比,本发明的催化剂具有较高的氨合成活性和良好的耐热性能,有较好的应用前景。

Description

一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于氨合成催化剂技术领域,具体涉及一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂的制备方法。
背景技术
氨不仅是化肥的主要原材料,而且是工业领域,比如塑料、医药、炸药、冶金、环保等诸多领域的重要原料之一,是世界上最重要的化学产品和消耗品之一。活性炭为载体的钌催化剂已经实现了工业化应用,因其优异的性能钌催化剂也被誉为是铁催化剂之后的第二代氨合成催化剂。但是高温高压的苛刻氨合成反应条件不利于活性炭负载钌催化剂的长周期运行,因此人们一直在寻找其它有稳定性较高的材料做为钌系氨合成催化剂的载体材料。氧化铝具有良好的耐热性能,是催化领域的常见的载体材料。
但是氧化铝载体自身较强的酸性以及氧化铝与钌金属之间的强相互作用不利于反应气体包括氮气、氢气和氨气的吸附、解离和脱附,因此以其为载体所制备的钌催化剂氨合成性能不佳。人们尝试将氧化铝和活性炭这两种载体结合在一起,发挥各自的优点以得到高性能的钌基氨合成催化剂。Lin等(Lin B, Wang R, Lin J, et al. Effect ofcarbon and chlorine on the performance of carbon-covered alumina supported Rucatalyst for ammonia synthesis[J]. Catalysis Communications, 2011, 12(15):1452-1457.)报道了利用蔗糖高温裂解得到涂炭的复合载体,其利用氯化钌作为前驱体,在一定程度上提高了氨合成活性。ZL2018108001710报道了在氧化铝上高温裂解含炭气体获得炭-氧化铝复合材料,并以之为载体制备钌基氨合成催化剂,所制备的催化剂具有较好的催化活性和稳定性。显然,现有技术中主要先在氧化铝表面引入炭材料,然后负载钌活性金属来制备同时含有氧化铝和炭的钌催化剂。炭材料主要起载体作用来提高钌金属和助剂组分的分散,改变钌金属的电子密度,进而改善催化剂的氨合成性能。
发明内容
为进一步改善氧化铝负载钌催化剂的氨合成性能,本发明提出一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂及其制备方法,以氧化铝为载体,钌金属为活性组分,在氧化铝负载钌催化剂上引入炭层;与已有方法制备出的炭-氧化铝复合材料负载钌金属催化剂相比,本发明的催化剂具有较高的氨合成活性和良好的耐热性能,有较好的应用前景。
为实现发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)先往氧化铝中引入钌金属;
(2)将步骤(1)所制得的样品浸渍钡前驱体水溶液得到氧化铝负载钌催化剂;
(3)将步骤(2)所制得的氧化铝负载钌催化剂在含炭气体或含炭混合气体中于一定温度反应一定时间即得到所述炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂。
步骤(1)中,引入的钌金属负载量为氧化铝质量的2-20%。
步骤(2)得到的氧化铝负载钌催化剂中,Ba与Ru的摩尔比为0.05-10:1;所述的钡前驱体为硝酸钡、醋酸钡和草酸钡中的一种。
步骤(3)中,所述的含炭气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种;气体的流速为1-500mL/min。
步骤(3)中,所述的含炭混合气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种与氢气、氮气、惰性气体中的一种或多种组成的混合气体;气体的流速为1-500mL/min。
步骤(3)中,所述的温度范围为650-950℃,所述反应时间为0.05-5h。
本发明的有益效果在于:
现有方法制备出的炭-氧化铝复合材料负载钌金属催化剂中炭载体主要起载体作用来提高钌金属和助剂组分的分散,但是所引入的炭大多覆盖在氧化铝表面,未能充分发挥催化剂的优越性能。而本发明将氧化铝负载钌催化剂在含炭气体中反应获得所述炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,所引入的炭能包裹住钌金属,与钌金属能更好的接触,有利于产生更多的钌活性位,有效改善了钌金属粒子对氢气和氮气的吸/脱附性质,进而使催化剂的氨合成活性和耐热性能得到显著提高,有较好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1和对比例1所制备催化剂O2-TPD表征中的CO曲线;
图2为实施例1和对比例1和对比例3所制备催化剂的CO红外光谱图;
图3为实施例1和对比例1和对比例3所制备催化剂H2-TPD表征中的H2O脱附曲线。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的包括范围不限于此:
实施例1:
氧化铝等体积浸渍氯化钌水溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.10:1,于120 ℃下干燥4小时;在氢气氛中于500℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍硝酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为0.6:1,于120 ℃下干燥4小时;在50mL/min的甲烷气体中于900℃反应0.1小时即得到炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,其中炭的含量为7wt%。
实施例2:
氧化铝等体积浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.15:1,于120 ℃下干燥4小时;在氢气氛中于500℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍草酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为0.9:1,于120 ℃下干燥4小时;在150mL/min的乙炔气体中于800℃反应1小时即得到炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,其中炭的含量为6wt%。
实施例3:
氧化铝等体积浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.12:1,于120 ℃下干燥4小时;在氢气氛中于500℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍醋酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为5:1,于120 ℃下干燥4小时;在450mL/min的丙烷氢气混合气(丙烷和氢气体积比为1:1)中于700℃反应0.5小时即得到炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,其中炭的含量为3wt%。
实施例4:
氧化铝等体积浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.05:1,于120 ℃下干燥4小时;在氢气氛中于500℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍醋酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为5:1,于120 ℃下干燥4小时;在350mL/min的乙烷氢气混合气(乙烷和氮气体积比为1:1)中于800℃反应0.3小时即得到炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,其中炭的含量为7wt%。
实施例5:
氧化铝等体积浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.08:1,于120 ℃下干燥4小时;在氢气氛中于500℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍醋酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为5:1,于120 ℃下干燥4小时;在150mL/min的丙炔氩气混合气(乙烷和氩气体积比为1:1)中于850℃反应3小时即得到炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂,其中炭的含量为15wt%。
对比例1:
氧化铝等体积浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.08:1,于120 ℃下干燥4小时。在氢气气氛中于500 ℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍硝酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为0.6:1,于120 ℃下干燥4小时,在150mL/min的氩气中于850℃反应3小时即可得到氧化铝负载钌催化剂,催化剂中未检测到炭的存在。
对比例2:
氧化铝等体积浸渍30wt%的蔗糖溶液,干燥后在氮气中于700℃裂解2小时得到炭-氧化铝复合材料,将复合材料浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至Ru:Al2O3的质量比为0.08:1,于120℃下干燥4小时。在氢气气氛中于500 ℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍硝酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为0.6:1,于120 ℃下干燥4小时即可得到炭-氧化铝复合材料负载钌金属催化剂,其中炭的含量为10wt%。
对比例3:
取氧化铝在氮气中升温到900℃,然后换成纯度为20%的甲烷气体并保持2h得到炭-氧化铝复合材料,将复合材料浸渍亚硝酰硝酸钌溶液至钌金属与炭-氧化铝复合载体的质量比为0.08:1,于120℃下干燥4小时。在氢气气氛中于500 ℃还原6 小时,在上述气氛中冷却至室温。将所得的样品浸渍硝酸钡水溶液至Ba与Ru的摩尔比为0.6:1,于120 ℃下干燥4小时即可得到炭-氧化铝复合材料负载钌金属催化剂,其中炭的含量为5wt%。
图1为实施例1、对比例1和对比例3所制备催化剂O2-TPD中的CO曲线,从图中可以看出,对比例3和实施例1的催化剂在O2-TPD表征中有大量CO的产生,说明这两种催化剂中有炭的存在。图2为实施例1、对比例1和对比例3所制备催化剂的CO红外光谱图,有炭存在的实施例1和对比例3的催化剂,在1990和2060 cm-1处存在较强的CO红外吸收峰,说明炭的存在有利于钌活性位的产生,其中本方明方法所制备的催化剂(实施例1)其活性位数量最多。图3为实施例1和对比例1和对比例3所制备催化剂H2-TPD表征中的H2O脱附曲线,显然,在H2-TPD表征中,催化剂所吸附的氢物种大量以水的形式脱除,炭的存在提高了催化剂吸附氢物种的数量,其中本发明报道的在氧化铝负载钌催化剂上引入炭所制备的炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂吸附最多的氢物种,这将有利于提高催化剂在氨合成反应中的性能。
催化剂的活性评价在高压活性测试装置中进行,反应器内径为12 mm的固定床。测试过程中,将0.2 g催化剂与同粒径的石英砂按体积比1:20进行混合,并装填在反应器的等温区内。反应气为氨高温催化裂解得到的氮、氢混合气,氢氮比为3:1。表1列出了在反应条件稳定10小时以后,各实施例和对比例催化剂在压力1MPa,反应温度为400℃、反应空速为6×104 cm3 h-1的氨合成反应速率测试结果。为考察各催化剂的耐热稳定性,所有催化剂在氨合成反应的温度和反应速率下,分别于500℃耐热50小时后,并测定其氨合成反应速率。
表1 催化剂的氨合成反应速率
从表中可以看出,在相同条件下,本发明催化剂的氨合成速率远高于传统的氧化铝负载钌催化剂以及现有方法制备的炭-氧化铝复合材料负载钌金属催化剂。在1 MPa、500 ℃耐热50小时后,本发明催化剂的氨合成活性没有明显下降,表现出了良好的耐热性能,具有较好的工业应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)先往氧化铝中引入钌金属;
(2)将步骤(1)所制得的样品浸渍钡前驱体水溶液得到氧化铝负载钌催化剂;
(3)将步骤(2)所制得的氧化铝负载钌催化剂在含炭气体或含炭混合气体中于一定温度反应一定时间即得到所述炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,引入的钌金属负载量为氧化铝质量的2-20%。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)得到的氧化铝负载钌催化剂中,Ba与Ru的摩尔比为0.05-10:1;所述的钡前驱体为硝酸钡、醋酸钡和草酸钡中的一种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的含炭气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种;气体的流速为1-500mL/min。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的含炭混合气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种与氢气、氮气、惰性气体中的一种或多种组成的混合气体;气体的流速为1-500mL/min。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的温度范围为650-950℃,所述反应时间为0.05-5h。
7.如权利要求1-6任一所述的制备方法制得的炭@氧化铝负载钌基氨合成催化剂。
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