CN112206780A - SiO2气凝胶负载镍单质催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供SiO2气凝胶负载镍单质催化剂及其制备方法和应用,包括以下步骤:S1、SiO2气凝胶的制备,采用酸碱两步法常压干燥制备,以正硅酸乙酯为硅源,HCl加入促进水解过程,NH3.H2O作为促凝胶剂,三甲基氯硅烷改性实现气凝胶的疏水性能;将改性后凝胶块体用正己烷反复冲洗,然后在60、70、80、90、100、110、120℃下依次常压干燥6h。采取两种方法进行镍单质负载,包括:共凝胶和后浸渍两种。本发明结合了气凝胶材料的优势以及金属单质的应用,这不仅提高了催化剂活性,也提高了产物的选择性。这类催化剂与涂层催化剂相比,表现出更好的催化性能,可作为碳氢燃料催化裂解的拟均相催化剂的有力备选。
Description
技术领域
本发明属于催化剂研究制备技术领域。尤其属于正十烷催化裂解催化剂研究制备技术领域,特别涉及二氧化硅气凝胶负载镍单质催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
飞行器高速飞行时,会和空气产生大量的摩擦热,同时自身发动机内部也会释放大量的燃烧热,对飞行器的材料和安全问题带来巨大的挑战,因此,必须对飞行器发动机进行有效冷却。利用吸热型碳氢燃料充当飞行器的制冷剂和推进剂,采取主动冷却暂时吸收发动机多余的废热,并将其在燃烧室燃烧,被视为最实用高效的一种冷却方式。与热裂解相比,碳氢燃料的催化裂解表现出更好的吸热性以及产物选择性,一直是吸热型碳氢燃料研究的热点。
碳氢燃料裂解一般是在高温、高压的条件进行,且裂解的过程中还会生成积碳,因此,必须对裂解催化剂的结构、酸性以及热稳定性有严格的要求。目前,针对于碳氢燃料催化裂解的研究主要是多相催化剂的应用,包括金属氧化物,分子筛等。多相催化中催化剂主要是通过涂覆的方式存在于管道内壁,但是涂层会增加管道热阻,同时在高温高压工况下有脱落和快速衰退的可能性,从而导致催化效果的降低,因此,近几年来,拟均相催化也成为了碳氢燃料催化裂解研究领域的热点。通过混合纳米粒子与碳氢燃料形成较为稳定的纳米流体,同时悬浮的纳米粒子可以提供更高的比表面积以及充足的活性位点。
气凝胶由于其独特的纳米孔三维网状结构,具有耐高温、比表面积大、孔隙率小、密度低等优良的结构特性,在催化剂载体、高温绝缘等领域有着广泛的应用。几乎所有具有催化性能的氧化物都可以制成气凝胶,这为气凝胶在催化领域的应用提供了可能性。气凝胶具有优异的结构性能,易于改性,耐高温,使其具有更好的催化性能。此外,大量研究表明,空气凝胶等纳米颗粒表现出良好的流动性,这是由自团聚到合适大小的形成的。因此,气凝胶可以作为催化反应的准均相催化剂载体。然而,据我们所知,气凝胶催化剂作为一种分散在燃料中的准均相催化剂在超临界裂解反应中的应用还很少报道。过渡金属镍在许多反应中被证明具有与贵金属媲美的催化性能,在催化裂解碳氢化合物分子中具有较高的C-H和C-C键活化能力。但镍基催化剂在催化裂化应用中仍存在一些问题,如易烧结、结焦、碳进一步失活等,影响催化剂的活性和稳定性,因此,二氧化硅气凝胶的引入,因为其较大的比表面积可以在一定程度上延缓或抑制镍的烧结从而保持较好的催化效果。
所以,SiO2气凝胶的引入对于镍单质在碳氢燃料催化裂解中的应用有着重要意义。
发明内容
本发明公开了SiO2气凝胶负载镍单质催化剂、制备方法及其在碳氢燃料催化裂解中应用。本发明目的是提供气凝胶作为载体负载金属单质催化剂及其制备方法,该催化剂用于正十烷催化裂解,表现出更好的催化活性。
本发明对不同方法负载镍单质在SiO2气凝胶上的催化效果,以正十烷催化裂解为探针反应进行了对比。在制备过程中向载体分别掺杂了5wt%Ni单质,结果都表现出了良好的催化效果。
具体的技术方案:SiO2气凝胶负载镍单质催化剂,其制备方法,包括以下步骤:
S1、SiO2气凝胶的制备
气凝胶的制备过程包括水解-凝胶-老化-改性-干燥五部分。SiO2气凝胶采用酸碱两步法常压干燥制备,以正硅酸乙酯(TEOS,C8H20O4Si)为硅源,HCl加入促进水解过程,NH3·H2O作为促凝胶剂,三甲基氯硅烷((CH3)3SiCl)改性实现气凝胶的疏水性能;
具体制备步骤如下所示:
以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,盐酸(HCl)加入促进水解过程,氨水(NH3·H2O)作为促凝胶剂,三甲基氯硅烷((CH3)3SiCl)改性实现气凝胶的疏水性能;包括以下子步骤:
S1.1、按照TEOS:乙醇(C2H5OH):去离子水(H2O)摩尔比=1:10:5量取所需试剂并搅拌混合均匀,即为混合物A;
S1.2、室温下向混合物A加入HCl,并调节控制混合pH=2~3,磁力搅拌2~3h使得TEOS得到充分水解,为混合物B;
S1.3、室温下向混合物B加入稀释到一定比例的NH3·H2O,并调节控制混合物pH=9~10,静置,待发现倾斜45°不流动时,凝胶形成;
S1.4、在凝胶上方滴适量C2H5OH,覆盖在凝胶表面,进行凝胶结构强化以及防止凝胶破裂;待凝胶脱模,将凝胶浸入乙醇中老化48h,期间替换C2H5OH两次;
S1.5、将凝胶浸入体积比为2:1:8的(CH3)3SiCl/C2H5OH/正己烷(C6H14)混合溶液中,静置48h,进行疏水性改性;
S2、将改性后凝胶块体用正己烷反复冲洗,然后在60、70、80、90、100、110、120℃下依次常压干燥6h;
其中,Ni单质制备;
采用有机醇液相还原工艺进行镍单质的制备。1,2-丙二醇用作还原剂,乙酸镍为镍源,高温下进行还原,具体操作步骤如下:
S3.1、固定1,2-丙二醇与醋酸镍(C4H6O4Ni·4H2O)的摩尔比为0.015,称取适量的乙酸镍和1,2-丙二醇放入三口烧瓶中进行磁力搅拌并通入氮气;
S3.2、醋酸镍完全溶解后,按照氢氧化钠(NaOH)与醋酸镍摩尔比为10:1称取相应的NaOH颗粒加入步骤S3.1中混合溶液,持续进行搅拌,溶解完全后开始使用油浴加热进行升温;
S3.3、待升温至100℃时逐滴加入混有聚乙烯比咯烷酮(PVP)的丙二醇溶液进行镍单质颗粒保护,防止颗粒过大,并持续通氮气;
S3.4、持续升温至160℃,溶液由浅绿色变成浅棕色,最终变为深黑色有机溶胶,结束反应,停止加热,持续搅拌,自然冷却至室温;
S3.5、加入大量丙酮使颗粒沉淀,离心分离,并用甲醇/乙醇反复洗涤,在40℃下真空干燥,得到黑色的镍单质颗粒。
镍单质的负载量为5wt.%,本发明中主要采取两种方法进行镍单质负载,包括:共凝胶和后浸渍两种。在进行镍负载之前,对镍单质进行改性使其在乙醇等有机溶剂中有好的分散性。具体步骤为将镍单质粒子加入一定量的乙醇中,并加入2%的油酸,超声5min。由于阴离子型的表面活性剂油酸在乙醇中带有负电荷,有利于它与金属粉体表面相互吸引而形成一层膜,利用静电位阻效应把颗粒排斥开。
其中:
共凝胶法:
共凝胶法是指将按照上述方法表面改进后的镍单质按照5wt.%的负载量加入到步骤S1.2中经过充分水解的混合物B中,随后按照原定步骤继续进行。
后浸渍法:
后浸渍法是指将按照步骤S2中制备的二氧化硅气凝胶研磨,过筛后加入适量的乙醇溶液,然后加入所需分量的镍单质,持续搅拌,随后在60℃水浴干燥、研磨、过筛。
本发明所制备的二氧化硅气凝胶负载镍单质催化剂的特点是结合了气凝胶材料的优势以及金属单质的应用,这不仅提高了催化剂活性,也提高了产物的选择性。这类催化剂与涂层催化剂相比,表现出更好的催化性能,可作为碳氢燃料催化裂解的拟均相催化剂的有力备选。
附图说明
图1是本发明制备镍单质XRD图;
图2是本发明中负载镍单质后的催化剂XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明,具体实施方式是对本发明原理的进一步说明,不以任何方式限制本发明,与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
实施例1:
按照本发明前述方法制备SiO2气凝胶负载镍单质催化剂,干燥结束后,研磨,160目筛子过筛后备用。本发明制备镍单质XRD图如图1所示;镍单质与硅共凝胶催化剂XRD如图2所示。
在实验开始前,在正十烷中添加50ppm浓度催化剂,并超声震荡15min开始试验。实验工况均为正十烷超临界工况,包含550~750℃温度区间以及3.5MPa,所测得活性如表1所示:
表1:镍单质与二氧化硅共凝胶催化剂催化活性
表2可以看出,镍单质与二氧化硅共凝胶制备的Ni/SiO2气凝胶催化剂对于正十烷的超临界催化裂解相比于热裂解来看,对于热沉,转化率和产气率均有较为明显的提高。说明本发明所制备的催化剂更能有效地提高催化活性。
实施例2:
按照本发明前述方法制备SiO2气凝胶负载镍单质催化剂,干燥结束后,均研磨,160目筛子过筛后备用。本发明制备镍单质XRD图如图1所示;负载镍单质后的催化剂XRD图如图2所示。
在实验开始前,在正十烷中添加50ppm浓度催化剂,并超声震荡15min开始试验。实验工况均为正十烷超临界工况,包含550~750℃温度区间以及3.5MPa,所测得活性如表2所示:
表2:Ni单质后浸渍SiO2气凝胶催化剂催化活性
表2可以看出,Ni单质后浸渍制备的Ni/SiO2气凝胶催化剂对于正十烷的超临界催化裂解相比于热裂解来看,对于热沉,转化率和产气率均有较为明显的提高,且催化裂解效果优于共凝胶法。说明本发明所制备的催化剂更能有效地提高催化活性。
Claims (8)
1.SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、SiO2气凝胶的制备;
以TEOS为硅源,HCl加入促进水解过程,NH3·H2O作为促凝胶剂,(CH3)3SiCl改性实现气凝胶的疏水性能;包括以下子步骤:
S1.1、按照TEOS:C2H5OH:去离子水摩尔比=1:10:5量取所需试剂并搅拌混合均匀,即为混合物A;
S1.2、室温下向混合物A加入HCl,并调节控制混合pH=2~3,磁力搅拌2~3h使得TEOS得到充分水解,为混合物B;
S1.3、室温下向混合物B加入稀释到一定比例的NH3·H2O,并调节控制混合物pH=9~10,静置,待发现倾斜45°不流动时,凝胶形成;
S1.4、在凝胶上方滴适量C2H5OH,覆盖在凝胶表面,进行凝胶结构强化以及防止凝胶破裂;待凝胶脱模,将凝胶浸入乙醇中老化48h,期间替换C2H5OH两次;
S1.5、将凝胶浸入体积比为2:1:8的(CH3)3SiCl/C2H5OH/C6H14混合溶液中,静置48h,进行疏水性改性;
S2、将改性后凝胶块体用C6H14反复冲洗,然后在60、70、80、90、100、110、120℃下依次常压干燥6h;
在步骤S1过程中,或者在S2步骤后进行镍单质负载;在进行镍负载之前,对镍单质颗粒进行改性,将镍单质颗粒加入一定量的乙醇中,并加入2%的油酸,超声5min。
2.根据权利要求1所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,所述的镍单质制备,采用有机醇液相还原工艺进行镍单质的制备得到黑色的镍单质颗粒。
3.根据权利要求2所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,所述的镍单质制备,具体包括以下步骤:
S3.1、固定C4H6O4Ni·4H2O的摩尔比为0.015,称取适量的醋酸镍和1,2-丙二醇放入三口烧瓶中进行磁力搅拌并通入氮气;
S3.2、乙酸镍完全溶解后,按照NaOH与醋酸镍摩尔比为10:1称取相应的NaOH颗粒加入步骤S3.1中混合溶液,持续进行搅拌,溶解完全后开始使用油浴加热进行升温;
S3.3、待升温至100℃时逐滴加入混有聚乙烯比咯烷酮的丙二醇溶液进行镍单质颗粒保护,防止颗粒过大,并持续通氮气;
S3.4、持续升温至160℃,溶液由浅绿色变成浅棕色,最终变为深黑色有机溶胶,结束反应,停止加热,持续搅拌,自然冷却至室温;
S3.5、加入大量丙酮使颗粒沉淀,离心分离,并用甲醇/乙醇反复洗涤,在40℃下真空干燥,得到黑色的镍单质颗粒。
4.根据权利要求1到3任一项所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,所述的镍单质负载,采用共凝胶法,包括以下步骤:
改性后的镍单质按照负载量加入到步骤S1的子步骤S1.2的混合物B中,随后按照原定步骤继续进行。
5.根据权利要求1到3任一项所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,所述的镍单质负载,采用后浸渍法,包括以下步骤:
将按照步骤S2中制备的二氧化硅气凝胶研磨,过筛后加入适量的乙醇溶液,然后加入所需分量的改性后的镍单质,持续搅拌,随后在60℃水浴干燥、研磨,过筛。
6.根据权利要求4或5所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的制备方法,其特征在于,所述的镍单质的负载量为5wt.%。
7.SiO2气凝胶负载镍单质催化剂,其特征在于,根据权利要求1到6任一项制备方法所得。
8.根据权利要求7所述的SiO2气凝胶负载镍单质催化剂的用途,其特征在于,作为碳氢燃料催化裂解的拟均相催化剂。
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