CN110280246A - 一种Co/C-N催化剂的制备方法及其在CO2加氢合成甲醇反应中的应用 - Google Patents

一种Co/C-N催化剂的制备方法及其在CO2加氢合成甲醇反应中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及催化剂技术领域,具体为一种Co/C‑N催化剂的制备方法和在催化CO2加氢合成甲醇反应中的应用。该催化剂以硝酸钴和2‑甲基咪唑配位形成ZIF‑67沸石咪唑框架结构,在N2气氛下焙烧制备Co/C‑N催化剂,再将该催化剂在空气气氛下焙烧制得Co/C‑N/air催化剂,两种催化剂均可用于CO2加氢合成甲醇反应,在较为温和条件下得到较高的CO2转化率及甲醇选择性。本发明中的催化剂制备方法简单,在温和条件下具有较高的活性,稳定性好,具有良好的工业应用前景。

Description

一种Co/C-N催化剂的制备方法及其在CO2加氢合成甲醇反应中 的应用
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域,具体涉及一种Co/C-N催化剂的制备方法及其在CO2加氢合成甲醇反应中的应用。
背景技术
CO2既是温室气体也是地球上最丰富的碳资源。催化CO2加氢合成甲醇既可以有效降低CO2浓度,缓解全球温室效应,生产出的甲醇又可以作为燃料替代品、燃料添加剂,重要化工原料被广泛应用。
CO2加氢合成甲醇为放热反应,热力学上低温更有利于反应正向进行,但是由于CO2的化学惰性,低温下常规催化剂甲醇收率较低。工业上甲醇合成采用Cu/Zn/Al2O3催化剂,在220-300℃,5-10MPa条件下,合成气(CO、H2以及少量CO2)中反应。而在CO2加氢合成甲醇中,Cu/Zn/Al2O3催化剂甲醇选择性和收率仍有待提高。多孔碳氮材料具有较高的比表面积,掺杂的氮元素增加了材料的碱性位点,有效促进CO2的吸收。钴基催化剂广泛用于合成气制取烃类物质(费托合成反应),但由于金属钴较强的加氢作用,在CO2加氢反应中主要生成甲烷。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明的目的是提供一种Co/C-N和Co/C-N-air催化剂的制备方法及其在CO2加氢合成甲醇中的应用。
申请人前期工作结果表明,部分还原的Co3O4形成具有氧空穴的Co3O4-x负载金属钴催化剂可有效促进CO2解离吸附,降低甲烷选择性,提高醇选择性。
本发明首先提供了一种催化剂,该催化剂为Co/C-N催化剂,催化剂中活性成分为金属钴。
上述Co/C-N催化剂的制备方法,包括以下步骤:
将硝酸钴和2-甲基咪唑分别溶于适量甲醇,将2-甲基咪唑甲醇溶液逐滴加入到硝酸钴甲醇溶液中,室温下搅拌3h以上得到紫色溶液;离心,甲醇洗涤,室温干燥得到ZIF-67。将ZIF-67放置在管式炉中、N2气氛下升温至温度T℃焙烧4-6h,得到Co/C-N-T催化剂。
进一步的,所述硝酸钴(不算结晶水,以Co(NO3)2计量)、2-甲基咪唑、甲醇总量的比例为(0.5-0.8)g:(2.3-2.5)g:(80-500)mL。
最佳的,所述硝酸钴(不算结晶水,以Co(NO3)2计量)、2-甲基咪唑、甲醇总量的比例为(0.6-0.7)g:2.44g:(100-200)mL。
进一步的,所述温度T℃为600℃-800℃。
进一步的,所述焙烧的具体条件是:N2气氛下升温至600℃或800℃保持6h,升温速度均为3℃/min。
Co/C-N-T催化剂的金属钴晶粒粒径为10-20nm。
本发明还提供了一种催化剂,该催化剂为Co/C-N-air催化剂,催化剂中活性成分为金属钴。
上述Co/C-N/air催化剂的制备方法为将制备的Co/C-N-T催化剂在空气气氛下250℃氧化t(t指氧化时间),冷却后即得Co/C-N-T/air-250-t催化剂。
进一步的,所述温度T为600℃-800℃,所述氧化时间t为2h-6h。
本发明还分别提供了上述制备方法得到的Co/C-N和Co/C-N/air催化剂在CO2加氢合成甲醇中的应用,测试上述应用效果的具体步骤是:
将催化剂加入到自制固定床反应器中,通入体积分数为22.5%CO2、67.5%H2和10%N2的混合气体,逐渐将反应器内压力升高至2MPa,空速为6Lgcat -1h-1,将反应器的温度以2℃/min升温至200℃~220℃进行连续反应,到达此温度后开始反应时间的计时,通过安捷伦GC7890B对气相产物进行在线分析,选取反应50h稳定后的数据计算CO2转化率及气相产物选择性。经冷阱收集其液相产物通过安捷伦GC4890分析,取50h平均值计算液相产物选择性;
产物评价中CO2转化率及选择性公式如下:
XCO2:CO2转化率,nCO2,in:CO2进口摩尔量,nCO2,out:CO2出口摩尔量,
nProduct,out:每个产物出口摩尔量,carbon number:每个产物中含碳个数。
STYMeOH:甲醇时空收率,FCO2,in:CO2进口流量(mL/min),SMeOH:甲醇选择性。
Mcat:催化剂质量(g)。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和有益效果:
(1)采用固定床多相催化剂连续反应,催化剂活性好,甲醇选择性高,稳定性好。
(2)催化剂制备方法相对简单,反应条件温和,易于规模放大。
附图说明
图1为实施例1,2制备的Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂的透射电镜图和粒径统计分析图。图中可以看出Co/C-N-600催化剂颗粒分布较均匀,统计分析Co颗粒粒径约为11nm,Co/C-N-800催化剂颗粒较大,约为18nm。
图2为实施例1,2制备的Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂的XRD图谱,图中可以看出ZIF-67经高温N2焙烧生成金属钴(JCPDS 15-0806)。未观察到碳氮特征峰,说明碳氮为无定形结构。测量金属钴(111)晶面半峰宽,经sheller公式计算得到Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂金属钴晶粒大小分别为12nm和18nm,与TEM结果一致。
图3为实施例3-4中催化剂活性评价结果,从图中可以看出Co/C-N-600和Co/C-N-800都表现出优良的催化剂稳定性,在反应测试50h内,200℃及220℃两个温度点,催化剂没有失活(反应了50h的催化剂未失活,继续反应至200小时,都仍保持着稳定的转化率,不赘述)。
图4为实施例5-6制备的Co/C-N-600/air-250-2h和Co/C-N-600/air-250-6h催化剂的XRD谱图,对比Co/C-N-600的XRD谱图可以明显看出,空气氧化后,催化剂表面生成Co3O4(JCPDS 42-1467),且随着氧化时间的增加,Co3O4的含量增加,金属钴含量下降。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明,以下的实施例中,产物评价中CO2转化率及选择性公式见本发明内容的技术方案所述。
实施例1制备Co/C-N-600催化剂,步骤如下:(1)称取1.08g Co(NO3)2.6H2O,2.44g2-甲基咪唑分别溶于75mL甲醇(≥99.5%),将2-甲基咪唑甲醇溶液逐滴加入到硝酸钴甲醇溶液中,室温搅拌6h得到紫色溶液;离心,甲醇洗涤三次,室温干燥得到ZIF-67。
(2)在N2气氛下,将步骤(1)所得ZIF-67放置在管式炉中以3℃/min的速度升温至600℃后焙烧6h,得到Co/C-N-600催化剂。
实施例2制备Co/C-N-800催化剂,步骤如下:
除了在管式炉中升温至800℃后焙烧外,其余步骤和参数均与实施例1相同,得到Co/C-N-800催化剂。
图1为实施例1,2制备的Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂的透射电镜图(TEM)。可以看到催化剂颗粒分布较均匀,统计分析Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂颗粒粒径分别约为11nm和18nm。图2为实施例1,2制备的Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂的XRD图谱。图中可以看出ZIF-67经高温N2焙烧生成金属钴(JCPDS 15-0806)。未观察到碳氮特征峰,说明碳氮为无定形结构。测量金属钴(111)晶面半峰宽,经sheller公式计算得到Co/C-N-600和Co/C-N-800催化剂金属钴晶粒粒径分别为12nm和18nm,与TEM结果一致。
实施例3利用实施例1制备的催化剂催化CO2加氢合成甲醇的方法,其步骤是:
将0.2g实施例1制备的Co/C-N-600催化剂加入到自制固定床反应器(不锈钢材质,长47cm,内径为1/4英寸)中,向反应器中通入体积分数为22.5%CO2、67.5%H2和10%N2的混合气,在3h内将反应器压力提高到2MPa,空速为6Lgcat -1h-1,再将反应器温度升至200℃或220℃,升温速率2℃/min,到达反应温度后开始反应时间的计时。通过安捷伦GC7890B对气相产物进行在线分析,选取反应50h稳定后数据计算CO2转化率及气相产物选择性。经冷阱收集其液相产物通过安捷伦GC4890分析,取反应50h平均值计算液相产物选择性。
实施例4利用实施例2制备的催化剂催化CO2加氢合成甲醇的方法,其步骤是:
将0.2g实施例2制备的Co/C-N-800催化剂加入到自制固定床反应器(不锈钢材质,长47cm,内径为1/4英寸)中,向反应器中通入体积分数为22.5%CO2、67.5%H2和10%N2的混合气,在3h内将反应器压力提高到2MPa,空速为6Lgcat -1h-1,再将反应器温度升至200℃或220℃,升温速率2℃/min,到达反应温度后开始反应时间的计时。通过安捷伦GC7890B对气相产物进行在线分析,选取反应50h稳定后数据计算CO2转化率及气相产物选择性。经冷阱收集其液相产物通过安捷伦GC4890分析,取反应50h平均值计算液相产物选择性。
实施例3-4的CO2转化率如图3所示,在反应的50h内,Co/C-N-600、Co/C-N-800催化剂都表现出稳定的CO2转化率。具体转化率及产物选择性如表一所示。在两个反应温度下,Co/C-N-600催化剂的CO2转化率高于Co/C-N-800,这是由于Co/C-N-600催化剂中Co纳米颗粒粒径更小,分散度更高,因而活性位点也越多。反应温度由200℃升高到220℃,两个催化剂的CO2转化率都显著提高,但甲烷选择性增加,甲醇选择性下降,这是由于CO2加氢合成醇为放热反应,低温更有利于反应正向进行。
表一
表中:SCO;CO选择性,SCH4:甲烷选择性,SC2+HC:C2及以上烃类选择性,SMeOH:甲醇选择性,SC2H5OH:乙醇选择性,STYMeOH:甲醇时空收率。
实施例5:制备Co/C-N-600/air-250-2h催化剂,具体步骤如下:
将实施例1制备的Co/C-N-600催化剂在空气气氛下250℃氧化2h,冷却后即得Co/C-N-600/air-250-2h催化剂。
实施例6:制备Co/C-N-600/air-250-6h催化剂,具体步骤如下:
将实施例1制备的Co/C-N-600催化剂在空气气氛下250℃氧化6h,冷却后即得Co/C-N-600/air-250-6h催化剂。
图4为实施例5-6的XRD谱图,对比Co/C-N-600的XRD谱图可以明显看出,空气氧化后,催化剂表面生成Co3O4(JCPDS 42-1467),且随着氧化时间的增加,Co3O4的含量增加,金属钴含量下降。
实施例7-8:利用实施例5-6(实施例7对应实施例5,实施例8对应实施例6)制备的催化剂催化CO2加氢合成甲醇的方法,其步骤与实施例3-4相同,反应温度固定为220℃。
具体转化率及产物选择性如表二所示。从表二可以看到随着氧化时间的增加,CO2转化率逐渐下降,醇选择性上升。这是因为金属钴具有较强的CO2加氢能力,空气氧化后,表面生成Co3O4,金属钴含量下降,活性也下降,但表面覆盖的Co3O4也抑制了金属Co过强的加氢能力,甲烷选择性下降,醇选择性上升。
表二

Claims (9)

1.一种Co/C-N催化剂的制备方法,包括以下步骤:
将硝酸钴和2-甲基咪唑分别溶于甲醇,将2-甲基咪唑甲醇溶液逐滴加入到硝酸钴甲醇溶液中,室温下搅拌3h以上得到紫色溶液;离心,甲醇洗涤,室温干燥得到ZIF-67;
然后将ZIF-67放置在管式炉中、N2气氛下升温至温度600℃-800℃焙烧4-6 h,得到Co/C-N催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述硝酸钴、2-甲基咪唑、甲醇总量的比例为(0.5-0.8)g:(2.3-2.5)g:(80-500)mL。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述硝酸钴、2-甲基咪唑、甲醇总量的比例为(0.6-0.7)g:2.44 g:(100-200)mL。
4.根据权利要求1-3中任一所述的制备方法,其特征在于:所述升温的速度为2.5-3.5℃/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于:
所述焙烧的具体条件是:N2气氛下升温至 600℃或800℃保持6 h。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述Co/C-N催化剂的金属钴晶粒粒径为10-20nm。
7.一种Co/C-N/air催化剂的制备方法,包括以下步骤:将根据权利要求1-6中任一所述的制备方法制备得到的Co/C-N催化剂在空气气氛下200-300℃氧化2h-6h得到。
8.权利要求1-6中任一所述的制备方法制备的Co/C-N催化剂在CO2加氢合成甲醇中的应用。
9.权利要求7所述的制备方法制备的Co/C-N/air催化剂在CO2加氢合成甲醇中的应用。
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