CN110721671A - 一种无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种无定形SiO2‑Al2O3负载金属型催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂制备领域。所述催化剂包含无定形SiO2‑Al2O3载体和选自非贵金属的活性组分A，其通式为A/SiO2‑Al2O3；该催化剂的制备方法包括将由无定形SiO2‑Al2O3制备的载体在含有非贵金属的水溶液中浸渍，然后干燥，焙烧并在还原气氛下还原；该催化剂可用于催化5‑羟甲基糠醛加氢醚化合成2,5‑呋喃二甲醇二烷基醚。根据本申请的催化剂成本低，催化效率高，催化稳定性强；其制备方法的原料廉价，工艺简单，易于大规模生产；使用该催化剂可在固定床反应器上以一步法直接合成目标产物，原料转化率和产物产率高，且可连续化生产。
Description
技术领域
本申请涉及一种无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂制备领域。
背景技术
随着化石燃料的需求量与储存量之间的矛盾日益突出以及全球温室气体排放量的不断增加，寻求一些能够代替不可再生的化石燃料、来源广泛、价格低廉的可再生能源成为迫切需求。生物质能源以其独特的优势进入人们的视野，其中，5-羟甲基糠醛是重要的生物质基平台化合物之一，其通过氧化、加氢等反应可制备出一系列具有高价值的化学品。2,5-呋喃二甲醇二烷基醚是5-羟甲基糠醛选择性加氢和醚化后的产物，具有较好的分子稳定性和较高的碳数，而且碳数的可调范围相对更宽；此外，2,5-呋喃二甲醇二烷基醚还具有密度大、低温流动性好、可以任意比例与汽柴油混溶等特点，被认为是一类非常有潜力的新型生物基液体燃料。
因此，开发一种高效、经济的加氢醚化催化剂具有重大意义。此外，目前5-羟甲基糠醛需要通过加氢、醚化两个反应步骤合成2,5-呋喃二甲醇二烷基醚，而本申请开发的催化剂在固定床反应器上通过一步法直接合成2,5-呋喃二甲醇二烷基醚。相比于釜式反应器，固定床反应器具有自动化程度高、重复性和安全性好、适于大规模生产等优点。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂，该催化剂整体成本较低，并且催化效率高，催化性能稳定且可连续使用，对设备要求不高，操作方便，具有很强的实用性。
所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂，其特征在于，包含无定形SiO2-Al2O3载体和活性组分A，其通式为A/SiO2-Al2O3；所述活性组分A选自非贵金属。
可选地，所述活性组分A选自Cu、Ni、Mn中的至少一种。
优选地，所述活性组分A选自Cu、Ni和Mn中的一种。
可选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为3.0～7.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝20～80:1。
优选地，所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3的下限选自20:1、25:1、30:1、35:1、40:1，其上限选自80:1、70:1、60:1、50:1、40:1；所述活性组分A在所述载体上的负载量的下限选自3.0wt.％、3.5wt.％、4.0wt.％、4.5wt.％、5.0wt.％，其上限选自7.0wt.％、6.5wt.％、6.0wt.％、5.5wt.％、5.0wt.％。
更优选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为4.0～6.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝40～60:1。
进一步优选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为5.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝40:1。
可选地，所述载体的粒径为20～40目；优选地，所述载体的粒径为28～32目。
根据本申请的另一个方面，提供了所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备方法，该方法原料易得，工艺简单方便，成本经济，可实现大规模工业生产。
所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
将由无定形SiO2-Al2O3制备的载体在含有非贵金属的水溶液中浸渍，然后干燥，焙烧，在还原气氛下还原，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
可选地，所述浸渍进行12～36小时；优选地，所述浸渍进行24小时。
可选地，所述干燥在100～120℃下进行10～15小时；优选地，所述干燥在110℃下进行12小时。
可选地，所述焙烧在450～500℃下进行6～10小时。优选地，所述焙烧的温度下限选自450℃、460℃、470℃、480℃，其上限选自500℃、490℃、485℃、480℃；所述焙烧的时间下限选自6小时、6.5小时、7小时、7.5小时、8小时，其上限选自10小时、9.5小时、9小时、8.5小时、8小时。更优选地，所述焙烧在480℃下进行8小时。
可选地，所述还原在250～350℃下进行1～5小时。优选地，所述还原的温度下限选自250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃，其上限选自350℃、340℃、330℃、320℃、310℃、300℃；所述还原的时间下限选自1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时，其上限选自5小时、4.5小时、4小时、3.5小时、3小时。更优选地，所述还原在300℃下进行3小时。
可选地，所述载体的制备包括将无定形SiO2-Al2O3压片，破碎，过筛。
可选地，所述还原气氛包含氢气；优选地，所述还原气氛为氢气气氛。
可选地，所述浸渍采用等体积浸渍法进行；具体地，在本申请中，以无定形SiO2-Al2O3为载体，采用等体积浸渍法负载非贵金属，制备无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
可选地，所述含有非贵金属的水溶液中非贵金属浓度为1.4～1.6mol/L。
可选地，所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备方法包括以下步骤：
a)将无定形SiO2-Al2O3的粉末压片，破碎，过筛，制备载体；
b)将所制备的载体置于含有选自Cu、Ni、Mn中的至少一种金属元素的水溶液中，浸渍12～36小时后，在100～120℃下干燥10～15小时，然后在450～500℃下焙烧6～10小时，并在250～350℃下于氢气气氛中还原1～5小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
优选地，在所述方法的步骤b)中，将所制备的载体置于含有选自Cu、Ni、Mn中的一种金属元素的水溶液中，浸渍24小时后，在110℃下干燥12小时，然后在480℃下焙烧8小时，并在300℃下于氢气气氛中还原3小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
可选地，所述无定形SiO2-Al2O3采用模板法制备，包括以下步骤：
i)在60～90℃下将异丙醇铝溶解在水中，经水解制得溶液I；
ii)配制质量分数为1～5％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌2～8小时，制得溶液II；
iii)将溶液I和溶液II混合，并在80～120℃下老化4～12小时，然后将所得悬浮液中的固体分离，在100～120℃下干燥8小时，并在450～600℃下焙烧4小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3。
优选地，步骤i)中的水选自离子水、蒸馏水中的至少一种。
优选地，步骤i)中，在80～90℃下将异丙醇铝溶解在离子水中，搅拌20～40分钟，制得溶液I；更优选地，步骤i)中，在90℃下将异丙醇铝溶解在离子水中，搅拌30分钟，制得溶液I。
优选地，步骤ii)中，配制质量分数为2～4％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌3～6小时，制得溶液II；更优选地，步骤ii)中，配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌4小时，制得溶液II。
优选地，步骤iii)中，将溶液I和溶液II混合，并封口置于80～100℃下老化8～12小时，然后将所得悬浮液中的固体过滤，洗涤，在110℃下干燥8小时，并在550℃下焙烧4小时；更优选地，步骤iii)中，将溶液I和溶液II混合，并封口置于90℃下老化10小时，然后将所得悬浮液中的固体过滤，洗涤，在110℃下干燥8小时，并在550℃下焙烧4小时。
优选地，在步骤i)中，异丙醇铝与水的投料质量比为，异丙醇铝:水＝5～15:10～20；更优选地，在步骤i)中，异丙醇铝与水的投料质量比为，异丙醇铝:水＝9:14。
在一个优选的实施方案中，所述无定形SiO2-Al2O3的制备方法具体为：
将45重量份的异丙醇铝在90℃条件下溶解在70重量份的离子水中，搅拌30分钟，配置溶液I；配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入249.3重量份的此溶液，搅拌4小时，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于90℃下老化10小时后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、110℃干燥、550℃焙烧后，即得所述无定形SiO2-Al2O3。
根据本申请的又一个方面，提供了一种由5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的方法，该方法使用所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂在固定床反应器上通过一步法直接合成，原料转化率和产物产率高，且可实现连续化生产，经济高效，工业化应用前景广阔。
所述由5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
使用无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂和固定床反应器，通过对5-羟甲基糠醛进行选择性加氢醚化而制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚；
其中，所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂选自上述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂、通过上述方法制备的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂中的至少一种。
可选地，所述方法包括以下步骤：
将含有氢气的气体通入装载有所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的固定床反应器中，并在1.0～3.0MPa的反应压力和60～120℃的反应温度下与含有5-羟甲基糠醛的原料接触反应，制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚。
可选地，5-羟甲基糠醛的质量空速为0.05～1.5h-1。
可选地，所述含有氢气的气体中氢气的体积空速为360～840h-1；优选地，所述含有氢气的气体中氢气的体积空速为600h-1。
根据本申请的又一个方面，提供了上述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂、通过上述方法制备的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的应用，所述催化剂用于固定床催化5-羟甲基糠醛加氢醚化合成2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的反应。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂，其以非贵金属为活性组分，整体成本相对较低；并且催化效率高，使用寿命长，重复性和安全性好，催化性能稳定且可连续使用，对设备要求不高，操作方便，具有很强的实用性。
2)本申请所提供的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备方法，其原材料廉价易得，工艺过程简单方便，生产成本较低，可相对容易地实现大规模的工业生产。
3)本申请所提供的制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的方法，其在固定床反应器上通过一步法直接催化5-羟甲基糠醛选择性加氢而实现制备，原料转化率和产物产率较高，通过减压蒸馏的方式可获得高纯度产物；并且能够实现连续化生产，经济高效，具有广阔的工业化应用前景。
附图说明
图1为1#无定形SiO2-Al2O3样品的XRD衍射图谱。
图2为4#催化剂样品的催化稳定性测试结果。
具体实施方式
根据本申请的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂包含活性组分A和无定形SiO2-Al2O3载体，其通式可以表示为A/SiO2-Al2O3。其中，所述活性组分A选自非贵金属，优选选自Cu、Ni、Mn中的至少一种，更优选选自Cu、Ni、Mn中的一种；所述载体为由无定形SiO2-Al2O3制备的无定形SiO2-Al2O3载体。
根据本申请，无定形SiO2-Al2O3中SiO2与Al2O3的质量比是可调节的，因此，根据本申请的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂为SiO2/Al2O3比例可调的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
根据本申请的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂可以高效地催化5-羟甲基糠醛选择性加氢反应和2,5-呋喃二甲醇醚化反应，获得较高的2,5-呋喃二甲醇二烷基醚产率。
在本申请的上下文中，表述“活性组分A在载体上的负载量”意指活性组分A相对于活性组分A和载体的总质量的质量百分含量。
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和试剂均通过商业途径购买。
本申请的实施例中的分析方法如下：
利用X射线粉末衍射对样品的结构进行表征，其中X射线粉末衍射采用德国BrokerD8Advance Davinci型X射线衍射仪，使用Cu Kα辐射源，管压：50kV，管流：40mA，扫描范围：2θ从10°至90°，扫描时间：7min。
利用高效液相色谱对反应物和产物的浓度进行分析，其中高效液相色谱采用安捷伦公司(Agilent)的1260型高效液相色谱仪。
本申请的实施例中的转化率、产率计算如下：
本申请的实施例中，5-羟甲基糠醛的转化率以及2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率均基于反应前、后液相中5-羟甲基糠醛和2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的摩尔数进行计算：
5-羟甲基糠醛的转化率＝(反应前5-羟甲基糠醛的摩尔数-反应后5-羟甲基糠醛的摩尔数)/反应前5-羟甲基糠醛的摩尔数×100％
2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率＝反应后2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的摩尔数/反应前5-羟甲基糠醛的摩尔数×100％
实施例1无定形SiO2-Al2O3的制备
1#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝20:1)的制备
将45g异丙醇铝在90℃条件下溶解在70g离子水中，搅拌30min，配置溶液I；配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入93.5g此溶液，搅拌4h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于90℃下老化10h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、110℃干燥8h、550℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将45g异丙醇铝在90℃条件下溶解在70g蒸馏水中，搅拌30min，配置溶液I；配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入249.3g此溶液，搅拌4h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于90℃下老化10h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、110℃干燥8h、550℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
3#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝60:1)的制备
将45g异丙醇铝在90℃条件下溶解在70g蒸馏水中，搅拌30min，配置溶液I；配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入561.0g此溶液，搅拌4h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于90℃下老化10h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、110℃干燥8h、550℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
4#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝80:1)的制备
将45g异丙醇铝在90℃条件下溶解在70g蒸馏水中，搅拌30min，配置溶液I；配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入1496.0g此溶液，搅拌4h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于90℃下老化10h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、110℃干燥8h、550℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
5#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将45g异丙醇铝在60℃条件下溶解在100g离子水中，搅拌20min，配置溶液I；配制质量分数为1％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入747.9g此溶液，搅拌2h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于80℃下老化12h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、100℃干燥8h、600℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
6#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将45g异丙醇铝在80℃条件下溶解在50g离子水中，搅拌40min，配置溶液I；配制质量分数为5％的SiO2的胶态氧化硅溶液，加入149.6g此溶液，搅拌8h，配置溶液II；将溶液I和溶液II在烧杯中混合，封口置于120℃下老化4h后，所得固体悬浮液经分离、洗涤、120℃干燥8h、450℃焙烧4h后，即得所述无定形SiO2-Al2O3样品。
对1#～6#无定形SiO2-Al2O3样品进行XRD分析。结果显示，1#～6#的SiO2-Al2O3样品均为无定形结构。以1#无定形SiO2-Al2O3样品为典型代表，其XRD衍射图谱详见图1，由图中未观测到特征衍射峰，证明其物相为无定形。2#～6#无定形SiO2-Al2O3样品的XRD图与1#无定形SiO2-Al2O3样品类似，均未观测到特征衍射峰。
实施例2无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备
1#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)的制备
将1#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝20:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)，记为1#催化剂样品。通过元素定量分析测定1#催化剂样品的Cu负载量为3.1wt.％。
2#催化剂样品Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)的制备
将1#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝20:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.77g的硝酸镍溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)，记为2#催化剂样品。通过元素定量分析测定2#催化剂样品的Ni负载量为6.8wt.％。
3#催化剂样品Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)的制备
将1#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝20:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.81g的硝酸锰溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝20:1)，记为3#催化剂样品。通过元素定量分析测定3#催化剂样品的Mn负载量为6.9wt.％。
4#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)，记为4#催化剂样品。通过元素定量分析测定4#催化剂样品的Cu负载量为5.1wt.％。
5#催化剂样品Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.77g的硝酸镍溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)，记为5#催化剂样品。通过元素定量分析测定5#催化剂样品的Ni负载量为3.1wt.％。
6#催化剂样品Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.81g的硝酸锰溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)，记为6#催化剂样品。通过元素定量分析测定6#催化剂样品的Mn负载量为6.9wt.％。
7#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)的制备
将3#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝60:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)，记为7#催化剂样品。通过元素定量分析测定7#催化剂样品的Cu负载量为7.0wt.％。
8#催化剂样品Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)的制备
将3#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝60:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.77g的硝酸镍溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)，记为8#催化剂样品。通过元素定量分析测定8#催化剂样品的Ni负载量为3.1wt.％。
9#催化剂样品Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)的制备
将3#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝60:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.81g的硝酸锰溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝60:1)，记为9#催化剂样品。通过元素定量分析测定9#催化剂样品的Mn负载量为6.8wt.％。
10#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)的制备
将4#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝80:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)，记为10#催化剂样品。通过元素定量分析测定10#催化剂样品的Cu负载量为6.9wt.％。
11#催化剂样品Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)的制备
将4#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝80:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.77g的硝酸镍溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Ni/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)，记为11#催化剂样品。通过元素定量分析测定11#催化剂样品的Ni负载量为3.0wt.％。
12#催化剂样品Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)的制备
将4#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝80:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为30目。称取0.81g的硝酸锰溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为24小时，然后110℃干燥12h，480℃焙烧8h，之后放入管式炉中在300℃下氢气还原3h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Mn/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝80:1)，记为12#催化剂样品。通过元素定量分析测定12#催化剂样品的Mn负载量为3.1wt.％。
13#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为20目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为12小时，然后120℃干燥10h，500℃焙烧6h，之后放入管式炉中在350℃下氢气还原1h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)，记为13#催化剂样品。通过元素定量分析测定13#催化剂样品的Cu负载量与4#催化剂样品类似。
14#催化剂样品Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)的制备
将2#无定形SiO2-Al2O3样品(SiO2:Al2O3＝40:1)压片，破碎，过筛，制备载体，其粒径为40目。称取0.73g的硝酸铜溶于2.8mL的去离子水中，采用等体积浸渍法使其负载于所述载体上，浸渍时间为36小时，然后100℃干燥15h，450℃焙烧10h，之后放入管式炉中在250℃下氢气还原5h，制得无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂Cu/SiO2-Al2O3(SiO2:Al2O3＝40:1)，记为14#催化剂样品。通过元素定量分析测定14#催化剂样品的Cu负载量与4#催化剂样品类似。
实施例3无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的催化性能
以实施例2中制备得到的1#～14#催化剂样品作为催化剂，催化5-羟甲基糠醛选择性加氢醚化制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的反应。反应条件为：
催化剂样品的装填量为5g，以氢气为载气，载气流速为50mL/min，在2.0MPa反应压力下升至100℃的反应温度后，以0.50mL/min流速(对应的质量空速为0.05h-1)将10g/l的5-羟甲基糠醛乙醇溶液打入固定床反应器中进行加氢反应，反应稳定1小时后，采样分析。结果见表1。
由表1中的结果可知，采用本申请的技术方案，使用1#～12#催化剂样品作为催化剂时，5-羟甲基糠醛的转化率均在50％以上且最高可达100％，2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率最高可达72.1％。此外，使用13#和14#催化剂样品所得结果与4#催化剂样品类似。
表1 1#～12#催化剂样品的催化反应性能结果
实施例4无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的催化性能
将5.0g的4#催化剂样品装填入固定床反应器中，以氢气为载气，载气流速为50mL/min，在2.0MPa反应压力下分别升至反应温度60℃、80℃、120℃后，以0.5mL/min流速(对应的质量空速为0.05h-1)将10g/l的5-羟甲基糠醛乙醇溶液打入固定床反应器中进行加氢反应，反应完成后收集反应液。对反应液进行取样，反应液样品经去离子水稀释后用高效液相色谱分析反应物和产物的浓度，进而计算5-羟甲基糠醛的转化率和2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率，其结果与反应温度为100℃的情况类似。
实施例5无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的催化性能
将5.0g的4#催化剂样品装填入固定床反应器中，以氢气为载气，载气流速为50mL/min，分别在1.0MPa、3.0MPa反应压力下升至反应温度100℃后，以0.5mL/min流速(对应的质量空速为0.05h-1)将10g/l的5-羟甲基糠醛乙醇溶液打入固定床反应器中进行加氢反应，反应完成后收集反应液。对反应液进行取样，反应液样品经去离子水稀释后用高效液相色谱分析反应物和产物的浓度，进而计算5-羟甲基糠醛的转化率和2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率，其结果与反应压力为2.0MPa的情况类似。
实施例6无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的催化性能
将5.0g的4#催化剂样品装填入固定床反应器中，以氢气为载气，载气流速为50mL/min，在2.0MPa反应压力下升至反应温度100℃后，分别以2.5mL/min、5.0mL/min、10.0mL/min、15.0mL/min流速将10g/l的5-羟甲基糠醛乙醇溶液打入固定床反应器中进行加氢反应，对应的质量空速分别为0.30h-1、0.60h-1、1.00h-1、1.50h-1，反应完成后收集反应液。对反应液进行取样，反应液样品经去离子水稀释后用高效液相色谱分析反应物和产物的浓度，进而计算5-羟甲基糠醛的转化率和2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率，其结果与流速为0.5mL/min(对应的质量空速为0.05h-1)的情况类似。
实施例7无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的催化稳定性评价
将5.0g的4#催化剂样品装填入固定床反应器中，以氢气为载气，载气流速为50mL/min，在2.0MPa反应压力下升至反应温度100℃后，以10.0mL/min流速将10g/l的5-羟甲基糠醛乙醇溶液打入固定床反应器中进行加氢反应，对应的质量空速为1.00h-1，连续反应50h，每隔5h取样一次。所取样品经去离子水稀释后用高效液相色谱分析反应物和产物的浓度，进而计算5-羟甲基糠醛的转化率和2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的产率。
图2为4#催化剂样品根据本实施例的催化稳定性测试结果，由图2可以发现，该催化剂样品在连续使用50h的情况下，催化性能并未有明显下降且反应物转化率和产物产率稳定，说明根据本申请的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的使用寿命长，稳定性好，能够实现连续化生产。
以上所述，仅为本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂，其特征在于，包含无定形SiO2-Al2O3载体和活性组分A，其通式为A/SiO2-Al2O3；所述活性组分A选自非贵金属。
2.根据权利要求1所述的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂，其特征在于，所述活性组分A选自Cu、Ni、Mn中的至少一种；
优选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为3.0～7.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝20～80:1；
更优选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为4.0～6.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝40～60:1；
进一步优选地，所述活性组分A在所述载体上的负载量为5.0wt.％；所述载体中SiO2与Al2O3的质量比SiO2:Al2O3＝40:1；
优选地，所述载体的粒径为20～40目。
3.权利要求1或2所述的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
将由无定形SiO2-Al2O3制备的载体在含有非贵金属的水溶液中浸渍，然后干燥，焙烧，在还原气氛下还原，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述浸渍进行12～36小时；所述干燥在100～120℃下进行10～15小时；所述焙烧在450～500℃下进行6～10小时；所述还原在250～350℃下进行1～5小时；
优选地，所述浸渍进行24小时；所述干燥在110℃下进行12小时；所述焙烧在480℃下进行8小时；所述还原在300℃下进行3小时；
优选地，所述载体的制备包括将无定形SiO2-Al2O3压片，破碎，过筛；
优选地，所述还原气氛包含氢气；
优选地，所述浸渍采用等体积浸渍法进行；
优选地，所述含有非贵金属的水溶液中非贵金属浓度为1.4～1.6mol/L。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将无定形SiO2-Al2O3的粉末压片，破碎，过筛，制备载体；
b)将所制备的载体置于含有选自Cu、Ni、Mn中的至少一种金属元素的水溶液中，浸渍12～36小时后，在100～120℃下干燥10～15小时，然后在450～500℃下焙烧6～10小时，并在250～350℃下于氢气气氛中还原1～5小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂；
优选地，在步骤b)中，将所制备的载体置于含有选自Cu、Ni、Mn中的一种金属元素的水溶液中，浸渍24小时后，在110℃下干燥12小时，然后在480℃下焙烧8小时，并在300℃下于氢气气氛中还原3小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述无定形SiO2-Al2O3采用模板法制备，包括以下步骤：
i)在60～90℃下将异丙醇铝溶解在水中，经水解制得溶液I；
ii)配制质量分数为1～5％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌2～8小时，制得溶液II；
iii)将溶液I和溶液II混合，并在80～120℃下老化4～12小时，然后将所得悬浮液中的固体分离，在100～120℃下干燥8小时，并在450～600℃下焙烧4小时，即得所述无定形SiO2-Al2O3。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤i)中，在80～90℃下将异丙醇铝溶解在离子水中，搅拌20～40分钟，制得溶液I；
步骤ii)中，配制质量分数为2～4％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌3～6小时，制得溶液II；
步骤iii)中，将溶液I和溶液II混合，并封口置于80～100℃下老化8～12小时，然后将所得悬浮液中的固体过滤，洗涤，在110℃下干燥8小时，并在550℃下焙烧4小时；
优选地，步骤i)中，在90℃下将异丙醇铝溶解在离子水中，搅拌30分钟，制得溶液I；
步骤ii)中，配制质量分数为3％的SiO2的胶态氧化硅溶液，搅拌4小时，制得溶液II；
步骤iii)中，将溶液I和溶液II混合，并封口置于90℃下老化10小时，然后将所得悬浮液中的固体过滤，洗涤，在110℃下干燥8小时，并在550℃下焙烧4小时；
优选地，在步骤i)中，异丙醇铝与水的投料质量比为，异丙醇铝:水＝5～15:10～20；
更优选地，在步骤i)中，异丙醇铝与水的投料质量比为，异丙醇铝:水＝9:14。
8.一种由5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
使用无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂和固定床反应器，通过对5-羟甲基糠醛进行选择性加氢醚化而制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚；
其中，所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂选自权利要求1或2所述的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂、通过权利要求3至7中任一项所述方法制备的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含有氢气的气体通入装载有所述无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂的固定床反应器中，并在1.0～3.0MPa的反应压力和60～120℃的反应温度下与含有5-羟甲基糠醛的原料接触反应，制备2,5-呋喃二甲醇二烷基醚；
优选地，5-羟甲基糠醛的质量空速为0.05～1.5h-1；
优选地，所述含有氢气的气体中氢气的体积空速为360～840h-1；
更优选地，所述含有氢气的气体中氢气的体积空速为600h-1。
10.权利要求1或2所述的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂、通过权利要求3至7中任一项所述方法制备的无定形SiO2-Al2O3负载金属型催化剂在固定床催化5-羟甲基糠醛加氢醚化合成2,5-呋喃二甲醇二烷基醚反应中的应用。
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| CN113244920A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-08-13 | 中山大学 | 一种无定形氧化硅负载单原子钴催化剂及其制备方法和应用 |
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| CN102616817A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-08-01 | 华东师范大学 | 一种高分散纳米氧化铝介孔复合材料的制备方法 |
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