CN110935432B - 一种氧化钛-氧化铝复合氧化物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化钛‑氧化铝复合氧化物及其制备方法,该复合氧化物具有如下性质:总孔隙率60%‑85%,所述的大孔孔径为100nm‑1000nm,大孔占总孔隙率的比例为40%‑90%;大孔分布均匀且三维贯通;大孔壁厚与孔径尺寸比值为0.5‑4.5;侧压破碎强度为8N/mm‑30N/mm,氧化钛均匀分散于氧化铝体相中,以复合氧化物重量为基准,氧化钛为0.5wt%‑35wt%。本发明采用溶胶‑凝胶法制备了氧化钛‑氧化铝复合氧化物。该复合氧化物的大孔三维贯通,材料机械强度高,能够满足现有多相催化反应的强度要求,可作为催化剂的良好载体使用。

Description

一种氧化钛-氧化铝复合氧化物及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化钛-氧化铝复合氧化物及其制备方法,属于无机材料制备领域。
背景技术
随着原油日趋重质化、劣质化以及环保法规的严格,汽油和柴油的加氢工艺逐渐向加工高硫油和生产超低硫的清洁环保石油燃料方向转移。催化剂的研发是加氢工艺的核心,加氢催化剂最常用的载体是γ-氧化铝。为开发新型高效的加氢催化剂,单纯的氧化铝载体难以很好地满足加氢技术的需求,因此,通过引入特定元素制备复合氧化铝载体很有必要。氧化钛具有良好的酸性和抗积炭、抗中毒能力,但由于比表面积及孔容较小,自身不适合用于催化载体材料。如将其作为改性组分引入到氧化铝上形成复合氧化铝载体,那么复合物则兼具氧化铝的高比表面积、高孔容及氧化钛的良好的酸性和抗积炭、抗中毒能力等优点。
“钛改性纳米自组装大孔氧化铝载体的制备及表征”(应用化工,2016,45(9):1788-1802)采用四氯化钛为原料制备了钛改性纳米自组装大孔氧化铝载体,复合载体具有最适宜加氢催化的孔道和表面酸性。但所采用的超增溶自组装法与硝酸盐乳化炸药制备体系非常类似,在高温高压的反应下爆炸隐患较大。同时,所用四氯化钛溶液易水解生成二氧化钛大颗粒,致使钛元素在材料中分布不均匀。
“钛铝复合氧化物载体的制备及其性能研究”(无机盐工业,2018,50(3):74-76)采用共沉淀法制备了钛铝复合氧化物,所得产物没有三维大孔结构。
CN99113284.X制备了含钛氢氧化铝,但由于钛盐溶液中含有氯离子及硫酸根等离子会腐蚀设备,焙烧时产生的排放物环境污染严重,且所得产物不具备三维大孔结构。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种氧化钛-氧化铝复合氧化物及其制备方法。该复合氧化物的大孔三维贯通,材料机械强度高,能够满足现有多相催化反应的强度要求,可作为催化剂的良好载体使用。
本发明的氧化钛-氧化铝复合氧化物,具有如下性质:总孔隙率60%-85%,所述的大孔孔径为100nm-1000nm,大孔占总孔隙率的比例为40%-90%,优选为50%-70%;大孔分布均匀且三维贯通;大孔壁厚与孔径尺寸比值为0.5-4.5,优选为1-4;侧压破碎强度为8-30N/mm,优选为10-25N/mm。二氧化钛均匀分散于氧化铝体相中,钛元素团簇尺寸为5-50nm。以复合氧化物重量为基准,二氧化钛为0.5wt%-35wt%,优选为1wt%-25wt%。
本发明的氧化钛-氧化铝复合氧化物中,氧化铝为γ晶态,氧化钛为锐钛矿型,氧化钛-氧化铝复合氧化物BET比表面积为200-450m2/g,孔容为0.50-1.50cm3/g。
本发明的氧化钛-氧化铝复合氧化物的制备方法,包括如下内容:
(1)将胶溶剂缓慢加入到勃姆石与二氧化钛粉末形成的悬浊液中,然后升温老化一定时间,得到含二氧化钛的铝溶胶,经旋转蒸发得到膏状物;
(2)将步骤(1)得到的膏状物、无机铝盐、聚乙二醇、酰胺类化合物和低碳醇水溶液混合均匀,然后再加入环氧丙烷和/或吡啶,混合均匀得到凝胶;
(3)将步骤(2)的凝胶进行老化,得到老化产物,然后经低碳醇水溶液浸泡、固液分离,固相经干燥和焙烧,得到氧化钛-氧化铝复合氧化物。
本发明方法中,步骤(1)所述的胶溶剂为铝溶胶制备过程中常用胶溶剂,可以为盐酸、硝酸、硫酸、甲酸或乙酸中的一种或多种。步骤(1)所述的胶溶剂以H+计与勃姆石粉以Al计的摩尔比0.05-1.0。
本发明方法中,步骤(1)所述的勃姆石可以为市售产品或按照现有技术制备得到。
本发明方法中,步骤(1)所述的二氧化钛为锐钛型超细纳米颗粒,平均粒径尺寸为0.5-45nm,优选为1-15nm。
本发明方法中,步骤(1)以所述的膏状物重量为基准,二氧化钛为0.5wt%-60wt%。
本发明方法中,步骤(1)在搅拌条件下进行,所述的老化通过加热回流的方式,回流温度70℃-95℃,回流时间1小时-12小时。
本发明方法中,步骤(1)所述的旋转蒸发条件为:温度为0℃-100℃,优选为10℃-50℃;真空度为0Pa-1000Pa,优选为0.1Pa -500Pa。
本发明方法中,以步骤(2)物料体系重量为基准,低碳醇水溶液的加入量为10wt%-80wt%,无机铝盐的加入量为5wt%-30wt%,膏状物加入量为0.5wt%-25wt%,优选为2wt%-20wt%,聚乙二醇的加入量为0.1wt%-3.0wt%,优选为0.2wt%-2.0wt%。其中,低碳醇水溶液中水与低碳醇的质量比为1.0-1.5;酰胺类化合物含量为0.1wt%-5.0wt%;环氧丙烷和/或吡啶与Al3+(不包含铝溶胶中的Al)的摩尔比为1.5-9.5,优选为3.0-7.5。环氧丙烷和吡啶二者可任意比例混合。
本发明方法中,聚乙二醇的粘均分子量为10000-3000000,优选为100000-2000000。
本发明方法中,步骤(2)所述的各种物料的加入顺序不加以特殊限制,其中低碳醇水溶液中的低碳醇和水可以分开加入,优选为:水、低碳醇、无机铝盐、聚乙二醇、铝溶胶、含酰胺基团的化合物依次加入。一般在后一种物料加入前,需要将先前加入的物料混合均匀。
本发明方法中,步骤(2)所述的无机铝盐是硝酸铝、氯化铝或硫酸铝中的一种或多种。
本发明方法中,所述的低碳醇为C5以下的醇,优选为甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇中的一种或多种,最好为乙醇和/或丙醇。
本发明方法中,步骤(2)所述的酰胺类化合物可以为甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、苯甲酰胺或2-苯乙酰胺中的一种或多种。
本发明方法中,步骤(3)所述的老化条件为:20-80℃下老化12-120小时。
本发明方法中,步骤(3)所述的浸泡条件为:浸泡温度10-80℃,浸泡时间为12-60小时;所述的浸泡所用的低碳醇水溶液,其质量浓度不小于50wt%。
本发明方法中,步骤(3)中所述的干燥,为普通常压干燥,干燥温度不大于60℃,优选为20-40℃,干燥至产物不再发生明显的减重。所述的焙烧是在400-700℃焙烧1-24小时,优选为500-650℃焙烧2-12小时。
本发明通过向制备体系中引入铝溶胶晶种可以诱导氧化铝前驱物由非晶态前体向晶态前体演化,从而在较低的焙烧温度下即可容易地转变为γ晶态,可显著节省能耗。铝溶胶中的二氧化钛纳米颗粒由于粒径超细,可以稳定的分散在铝溶胶中,并可稳定地存在于大孔材料骨架上。本发明酰胺类化合物的加入可以抑制超大孔的生成,使大孔更加均匀集中,有利于消除孔道尺寸不均匀带来的应力作用,此外通过控制反应条件,本发明制备的大孔氧化铝的大孔孔壁与大孔孔径的尺寸相比较,两者相当或前者大于后者,相对较厚的孔壁使材料具有较高的压碎强度,可以更好地满足工业上苛刻的应用要求。本发明中采用的二氧化钛超细颗粒,在含有大量的低碳醇反应体系中与其它组分混溶性良好,且体系pH呈酸性,可以形成均相凝胶,因此能够相对均匀地掺杂在最终的氧化铝体相中。
本发明所述的大孔氧化铝可以用作多相催化剂的载体,应用于各类大分子催化反应,如加氢反应、烷基化反应以及水处理过程中污染物的吸附、降解等。
附图说明
图1为实施例1制备的复合氧化物的扫描电镜图像。
图2为实施例1制备的复合氧化物的XRD图谱。
图3为实施例1制备的复合氧化物的体相局部的钛元素STEM-EDS-MAPPING分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。本发明中,以扫描电镜观察大孔的及其贯通情况。晶态采用XRD法测试。所述大孔氧化铝的孔隙率及平均孔径以压汞法表征测试。载体的机械强度以侧压强度表示,侧压强度采用大连鹏辉科技开发有限公司生产的DL2型强度仪进行测试。勃姆石粉采用市场销售的产品或自制。钛含量材料XRF法测量,钛体相分散均匀性采用场发射超高分辨透射电镜STEM-EDS-MAPPING法表征,测试中随机选取样品10个位置,做钛元素EDS-MAPPING 图,图中代表钛元素分布的亮点的尺寸代表了钛元素团簇尺寸及分布均匀性,相邻元素团簇的平均距离不超过30 nm视为均匀分布。本发明的钛元素以二氧化钛的形式存在于体相中,所述钛元团簇尺寸不等同于二氧化钛颗粒尺寸,但钛元团簇尺寸越大则二氧化钛颗粒或聚集物尺寸越大,钛元团簇分布越均匀则二氧化钛分布越均匀。
实施例1
(1)铝溶胶的制备:勃姆石粉、二氧化钛超细颗粒(平均粒径5nm)与蒸馏水混合形成悬浊液,在连续搅拌的条件下,滴加盐酸,满足酸/铝摩尔比0.07,滴加完毕升温至85℃回流5小时形成稳定的铝溶胶,再通过旋转蒸发(温度40℃,真空度100Pa)形成膏状物。
(2)室温下(约25℃)将水、无水乙醇、氯化铝、聚乙二醇、膏状物、甲酰胺混合均匀,再加入吡啶,混合物各组分以重量计,含量分别为:水22wt%,乙醇20wt%,氯化铝21wt%,聚乙二醇(粘均分子量100万)1.0wt%,膏状物6wt%(含25wt%的二氧化钛),甲酰胺1.0wt%,吡啶29%。混合均匀之后,所得凝胶于40℃下老化48小时,然后用70wt%的乙醇水溶液浸泡老化后的混合物48小时,浸泡完毕并除去液相后,在40℃下烘干直至产物不再发生明显的减重。然后在550℃下焙烧3小时,然后冷却到室温,得到所述的大孔氧化铝。经XRD测试,具有良好的γ晶态,总孔隙率为83%,大孔分布均匀,具有三维立体空间上的贯通性,大孔孔径215nm,大孔孔隙率占65%,大孔壁厚与孔径尺寸比值为2.2,侧压强度17N/mm,BET比表面积为351m2/g,孔容为0.60cm3/g。二氧化钛含量为19.2wt%,场发射超高分辨透射电镜STEM-EDS-MAPPING显示钛元素在氧化铝体相上的团簇尺寸约6.2nm,且分布均匀。
实施例2
(1)同实施例1,不同的是二氧化钛平均粒径为10nm。
(2)室温下(约25℃)将水、无水乙醇、氯化铝、聚乙二醇、膏状物、乙酰胺混合均匀,再加入环氧丙烷,混合物各组分以重量计,含量分别为:水21wt%,乙醇20wt%,氯化铝20wt%,聚乙二醇(粘均分子量150万)1wt%,膏状物8wt%(含25wt%的二氧化钛),乙酰胺2.0wt%,环氧丙烷28wt%。混合均匀之后,所得凝胶于40℃下老化72小时,然后用乙醇浸泡老化后的混合物72小时,浸泡完毕并除去液相后,在40℃下烘干直至产物不再发生明显的减重。然后在550℃下焙烧5小时,然后冷却到室温,得到所述的大孔氧化铝。经XRD测试,具有良好的γ晶态,总孔隙率为84%,大孔分布均匀,具有三维立体空间上的贯通性,大孔孔径177nm,大孔孔隙率占87%,大孔壁厚与孔径尺寸比值为2.,侧压强度22N/mm,BET比表面积为359m2/g,孔容为0.78cm3/g。二氧化钛含量为21.2wt%,场发射超高分辨透射电镜STEM-EDS-MAPPING显示钛元素在氧化铝体相上的团簇尺寸约12.4nm,且分布均匀。
实施例3
(1)同实施例1,不同的是二氧化钛平均粒径为22nm。
(2)室温下(约25℃)将水、无水乙醇、氯化铝、聚乙二醇、膏状物、N,N-二甲基甲酰胺混合均匀,再加入吡啶,混合物各组分以重量计,含量分别为:水21wt%,乙醇20wt%,氯化铝24wt%,聚乙二醇(粘均分子量100万)1wt%,膏状物5wt%(含15wt%的二氧化钛),N,N-二甲基甲酰2wt%,吡啶27wt%。混合均匀之后,所得凝胶于40℃下老化48小时,然后用50wt%乙醇水溶液浸泡老化后的混合物72小时,浸泡完毕并除去液相后,在40℃下烘干直至产物不再发生明显的减重。然后在700℃下焙烧2.5小时,然后冷却到室温,得到所述的大孔氧化铝。经XRD测试,具有良好的γ晶态,总孔隙率为77%,大孔分布均匀,具有三维立体空间上的贯通性,大孔孔径128nm,大孔孔隙率占89%,大孔壁厚与孔径尺寸比值为1.8,侧压强度24N/mm,BET比表面积为346m2/g,孔容为0.82cm3/g。氧化钛含量为9wt%,场发射超高分辨透射电镜STEM-EDS-MAPPING显示钛元素在氧化铝体相上的团簇尺寸约25.7nm,且分布均匀。
对比例1
按照“应用化工,2016,45(9):1788-1802”的方法制备钛改性复合氧化铝。该法采用超增容法,复合产物中钛元素分布不均匀。
对比例2
按照“无机盐工业,2018,50(3):74-76”的方法制备钛改性氧化铝,所得产品无明显的三维大孔结构。
对比例3
按照CN99113284.X的方法制备钛改性氧化铝,所用氧化钛前驱体易水解生成二氧化钛团聚,致使钛元素在复合体中分布不均匀,制备过程也形成较多的氯离子。
对比例4
按照实施例1的方式制备氧化钛-氧化铝复合氧化物,所不同的是在步骤(1)中不是采用超细纳米二氧化钛,而是加入四氯化钛。所得产物中,由于步骤(1)中四氯化钛发生激烈水解,最终的氧化钛-氧化铝复合氧化物中二氧化钛颗粒尺寸从数十纳米到近百纳米分布,显然钛元素分布是很不均匀的。

Claims (14)

1.一种氧化钛-氧化铝复合氧化物,其特征在于具有如下性质:总孔隙率60%-85%,大孔孔径为100nm-1000nm,大孔占总孔隙率的比例为40%-90%;大孔分布均匀且三维贯通;大孔壁厚与孔径尺寸比值为0.5-4.5;侧压破碎强度为8N/mm -30N/mm;氧化钛均匀分散于氧化铝体相中,钛元素团簇尺寸为5nm-50nm;以复合氧化物重量为基准,氧化钛为9wt%-35wt%;
所述氧化钛-氧化铝复合氧化物采用的制备方法,包括如下内容:(1)将胶溶剂缓慢加入到勃姆石与二氧化钛粉末形成的悬浊液中,然后升温老化一定时间,得到含二氧化钛的铝溶胶,经旋转蒸发得到膏状物;(2)将步骤(1)得到的膏状物、无机铝盐、聚乙二醇、酰胺类化合物和低碳醇水溶液混合均匀,然后再加入环氧丙烷和/或吡啶,混合均匀得到凝胶;(3)将步骤(2)的凝胶进行老化,得到老化产物,然后经低碳醇水溶液浸泡、固液分离,固相经干燥和焙烧,得到氧化钛-氧化铝复合氧化物。
2.根据权利要求1所述的复合氧化物,其特征在于:以复合氧化物重量为基准,氧化钛为9wt%-25wt%。
3.一种权利要求1所述的氧化钛-氧化铝复合氧化物的制备方法,其特征在于包括如下内容:(1)将胶溶剂缓慢加入到勃姆石与二氧化钛粉末形成的悬浊液中,然后升温老化一定时间,得到含二氧化钛的铝溶胶,经旋转蒸发得到膏状物;(2)将步骤(1)得到的膏状物、无机铝盐、聚乙二醇、酰胺类化合物和低碳醇水溶液混合均匀,然后再加入环氧丙烷和/或吡啶,混合均匀得到凝胶;(3)将步骤(2)的凝胶进行老化,得到老化产物,然后经低碳醇水溶液浸泡、固液分离,固相经干燥和焙烧,得到氧化钛-氧化铝复合氧化物。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的胶溶剂为盐酸、硝酸、硫酸、甲酸或乙酸中的一种或多种;所述的胶溶剂以H+计与勃姆石粉以Al计的摩尔比0.05-1.0。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的二氧化钛为锐钛型超细纳米颗粒,平均粒径尺寸为0.5nm-45nm。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(1)以所述的膏状物重量为基准,二氧化钛为0.5wt%-60wt%。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(1)在搅拌条件下进行,所述的老化通过加热回流的方式,回流温度70℃-95℃,回流时间1小时-12小时。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:以步骤(2)物料体系重量为基准,低碳醇水溶液的加入量为10wt%-80wt%,无机铝盐的加入量为5wt%-30wt%,膏状物加入量为0.5wt%-25wt%,聚乙二醇的加入量为0.1wt%-3.0wt%,酰胺类化合物加入量为0.1wt%-5.0wt%;其中,低碳醇水溶液中水与低碳醇的质量比为1.0-1.5;聚乙二醇的粘均分子量为10000-3000000。
9.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述的环氧丙烷和/或吡啶与Al3+的摩尔比为1.5-9.5,不包含铝溶胶中的Al。
10.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:所述的低碳醇为C5以下的醇。
11.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(2)所述的酰胺类化合物为甲酰胺、乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基乙酰胺、苯甲酰胺或2-苯乙酰胺中的一种或多种。
12.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的老化条件为:20-80℃下老化12-120小时。
13.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤(3)所述的浸泡条件为:浸泡温度10-80℃,浸泡时间为12-60小时;所述的浸泡所用的低碳醇水溶液,其质量浓度不小于50wt%。
14.一种权利要求1所述的氧化钛-氧化铝复合氧化物在多相催化剂载体制备中的应用。
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