CN111017940A - 一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂 - Google Patents
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Abstract
一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，属于无机纳米材料制备技术领域。本发明采用经过预处理的高硅含量生物质为自组装的模板，与镍基前驱体一步水热合成三维花瓣状碱式硅酸镍，克服了分步合成法步骤繁琐的缺点。本发明采用一步水热法，无需预先制备硅基材料，工艺简单，操作简便，制备周期短；过程无污染，所用的原料成本较低，无需特殊反应容器，适合批量化生产。既一定程度上解决了废弃生物质的环境污染问题，同时又充分利用其能源优势，初步实现经济效益和环境效益的统一。本发明得到的碱式硅酸镍催化剂具有高比表面积、高机械强度、高镍担载量、高活性、高稳定性、热稳定性好和成本低廉的优点，适用于高温催化反应。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料制备技术领域，具体涉及一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍及其制备方法。
背景技术
镍是国民经济建设的重要战略物质，其有效资源开发和综合利用一直为各国所重视。Ni具有3d轨道以及较高的活性和经济性，是一种优异的催化剂活性组分，广泛应用于各个领域，比如加氢、烷基化、水煤气变换、重整、甲烷化等。在催化过程中，镍的存在形式以及催化剂的结构对催化效果有着重要的影响。花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其比表面积大、镍担载量高、催化活性强、热稳定性高的特点。
硅酸镍在电池材料、磁性物质和催化剂载体等方面有着优异的物理化学性质。目前对于纳米镍盐的研究主要集中于纳米棒、纳米线、纳米纤维等一维领域，对于二维纳米片自组装成三维结构的研究还很少。由于这类结构的材料具有高比表面、高的稳定性和表面渗透性的特性，而且其交错堆叠部分可容纳大量的客体分子或大尺寸的客体，使得花瓣状材料在催化剂、电池、光电材料、磁性科学等许多技术领域都取得了重要的进展。
硅酸镍及其复合物的传统制备方法是固相反应法、沉淀法、硬模板法、溶胶凝胶法以及水热自组装法等。固相反应法需要较高的反应温度，能耗高，而且制得的硅酸镍颗粒比较大。沉淀法制备比较简单，但是硅酸镍的形貌较难控制，并且其颗粒一般也较大。硬模板法反应体系不稳定，粒径分布不均匀，且产物中往往包含一定比例的模板物质，影响物质的纯度。另外，对于硬模板法，需要焙烧或者刻蚀反应以除去模板。这既增加了实验操作程序，同时由于硬模板不能重复使用，也造成极大的浪费。溶胶凝胶法要使用价格昂贵的金属有机醇盐，成本比较高。水热自组装技术是目前合成多维结构中较为有效且实用的技术，广泛应用于不同形貌纳米材料中的制备，并且技术相对成熟。目前水热法制备碱式硅酸镍一般需要两步：第一步先水热制备出一定形貌的硅基材料，然后焙烧去除模板剂；第二步，水溶性镍盐与硅基材料反应生成硅酸镍。总体上来说，操作步骤比较繁琐，效率较低。
植物在生长过程中，不仅可以通过固碳作用将太阳能储存在体内，还可以吸收土壤中的矿物质元素生成二氧化硅等无机矿化物，利用高科技手段综合利用开发生物质资源制备一系列工业原料是目前国内外研究的重点。本发明将高硅含量生物质一步法制备成硅酸镍催化剂，将生物质转化成高附加值的催化剂，可以实现经济效益和环境效益的统一。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，本发明采用一步水热法制备合成，工艺简单，易于操作。通过本发明不但能够得到片层极薄花瓣状纳米硅酸镍，而且还原后纳米镍颗粒高分散且尺寸均一。
本发明所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：将粉碎洗净的生物质在10 wt%的酸溶液中煮沸2 h以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将预处理的生物质分散在水溶性镍盐溶液中，超声处理10 min，转移至水热釜中在150~240 oC环境下水热16~48 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40~80 oC的烘箱内干燥24 h，在400~700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
二氧化硅是由硅氧四面体通过氧原子连接形成二维结构，表面带负电的硅羟基可由质子、碱金属离子中和，通过静电作用力堆叠成块状。在上述反应条件下，镍离子与二氧化硅反应并自组装成三维花瓣状硅酸镍，其晶型与JCPDS 43-0664吻合。纳米自组装的三维花瓣状硅酸镍均匀分散，无团聚现象。
进一步，生物质为稻壳、甘蔗渣、稻秸秆、芦苇杆、荞麦壳、柳枝穗、花生壳、玉米芯中的一种或多种。
进一步，本方法中所述的预处理酸溶液为盐酸、硝酸、磷酸中的一种。
进一步，将磨碎洗净的生物质在10 wt%的酸溶液中煮沸2 h，用去离子水漂洗，然后在100 oC下干燥24 h。
进一步，本方法中所述的水溶性镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍或醋酸镍水合物中的一种或多种的混合物。
进一步，所述水溶性镍盐与生物质之间的加入质量比为5:1~30:1。
进一步，将预处理的生物质分散在水溶性镍盐溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在150~240 oC环境下水热16~48 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40~80 oC的烘箱内干燥24 h，在400~700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
下面将详细地说明本发明：
本发明中采用一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，不需要进行多次水热，不需要进行多次煅烧，不需要进行模板的去除，简化了以往多步制备方法的繁琐程度。同时，采用可溶性镍盐，天然生物质，原料来源广泛；通过控制镍盐与生物质的质量比例可以调控花瓣状硅酸镍上“棘”的密度，例如在一定范围内，随着镍盐含量的增加，花瓣状硅酸镍上“棘”的密度随之增大，即可调控产物比表面积的大小。所制得的花瓣状纳米硅酸镍纯度高，不含有其它形貌的硅酸镍，且性能稳定，在空气中不易变性，并且经高温焙烧其形貌仍可保持原貌。这些优点可以节省成本，利于较大规模制备。本发明采用一步水热法，操作简便，制备周期短，过程无污染，所用的原料成本较低，适合批量化生产。
附图说明
图1为本发明实施例2制备得到的花瓣状硅酸镍的XRD图；
图2为本发明实施例2制备得到的花瓣状硅酸镍的SEM图；
图3为本发明实施例2制备得到的花瓣状硅酸镍的TEM图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明技术方案做进一步说明，但本发明不局限于以下实施例。
实施例1
将粉碎洗净的稻壳在10 wt%的盐酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的稻壳分散在含15 g硝酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在200 oC环境下水热16 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40 oC的烘箱内干燥24 h，在450 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例2
将粉碎洗净的甘蔗渣在10 wt%的硝酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的甘蔗渣分散在含5 g氯化镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在150 oC环境下水热24 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在50oC的烘箱内干燥24 h，在400 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例3
将粉碎洗净的稻秸秆在10 wt%的磷酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的稻秸秆分散在含7 g硫酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在250 oC环境下水热32 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在45oC的烘箱内干燥24 h，在650 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例4
将粉碎洗净的芦苇杆在10 wt%的盐酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的芦苇杆分散在含20 g醋酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在240 oC环境下水热45 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在55 oC的烘箱内干燥24 h，在700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例5
将粉碎洗净的荞麦壳在10 wt%的硝酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的荞麦壳分散在含30 g氯化镍与硝酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在180 oC环境下水热48 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40 oC的烘箱内干燥24 h，在650 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例6
将粉碎洗净的柳枝穗在10 wt%的盐酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的柳枝穗分散在含15 g硝酸镍与醋酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在220 oC环境下水热19 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在65 oC的烘箱内干燥24 h，在580 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例7
将粉碎洗净的稻壳，柳枝穗与玉米芯在10 wt%的磷酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的稻壳，柳枝穗与玉米芯分散在含16 g硝酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在170 oC环境下水热28 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在80 oC的烘箱内干燥24 h，在680 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例8
将粉碎洗净的花生壳在10 wt%的硝酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的花生壳分散在含10 g硝酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在230 oC环境下水热30 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在75 oC的烘箱内干燥24 h，在670 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
实施例9
将粉碎洗净的玉米芯在10 wt%的硝酸中煮沸2 h，以去除金属离子，用去离子水漂洗后干燥备用。然后将1 g预处理的玉米芯分散在含22 g硝酸镍的水溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在160 oC环境下水热42 h。过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在80 oC的烘箱内干燥24 h，在700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
催化剂性能评价
对实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9进行催化性能测试，选择CO2甲烷化反应为模型反应。将500 mg 20~40目的催化剂装入石英反应管中，氢气还原后，通入反应原料气H2 : CO2 : N2（体积流率比为12 : 3 : 5）进行反应。反应压力为常压，质量空速为60000 mL/h·g，反应温度为450 oC。
表1为实施例1、2、3、4、5、6、7、8中的催化剂在甲烷化反应中CO2转化率以及CH4产率。
| 序号 | CO<sub>2</sub>转化率（%） | CH<sub>4</sub>选择性（%） | CH<sub>4</sub>产率（%） |
| 实施例1 | 87 | 86 | 75 |
| 实施例2 | 92 | 87 | 80 |
| 实施例3 | 89 | 85 | 76 |
| 实施例4 | 87 | 89 | 77 |
| 实施例5 | 84 | 93 | 78 |
| 实施例6 | 88 | 94 | 83 |
| 实施例7 | 94 | 92 | 86 |
| 实施例8 | 87 | 89 | 77 |
| 实施例9 | 86 | 93 | 79 |
如上所述，本发明提出的一种由生物质制备的三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂具有较高的活性，在高温反应中具有良好的应用前景。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (7)
1.一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：将粉碎洗净的生物质在10 wt%的酸溶液中煮沸2 h，用去离子水漂以去除金属离子，然后将预处理的生物质分散在水溶性镍盐溶液中，超声处理10 min，然后移至到水热釜中在150~240 oC环境下水热16~48h，过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40~80 oC的烘箱内干燥24 h，在400~700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
2.如权利要求1所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：生物质为稻壳、甘蔗渣、稻秸秆、芦苇杆、荞麦壳、柳枝穗、花生壳、玉米芯中的一种或多种的混合物。
3.如权利要求1所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：生物质为盐酸、硝酸、磷酸中的一种。
4.如权利要求1所述的一种一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：水溶性镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍或醋酸镍水合物中的一种或多种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：所述水溶性镍盐与生物质之间的加入质量比为5:1~30:1。
6.根据权利要求1所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：将粉碎洗净的生物质在10 wt%的酸溶液中煮沸2 h，用去离子水漂洗，干燥。
7.根据权利要求1所述的一种生物质基三维花瓣状碱式硅酸镍催化剂，其特征在于：然后将预处理的生物质分散在水溶性镍盐溶液中，超声处理10 min，然后移至水热釜中在150~240 oC环境下水热16~48 h，过滤，用无水乙醇和蒸馏水分别洗涤数次，在40~80 oC的烘箱内干燥24 h，在400~700 oC马弗炉中煅烧2 h，得到三维花瓣状碱式硅酸镍。
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