CN112275270A - 负载型催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了负载型催化剂,所述负载型催化剂包括载体和负载在所述载体上的活性组分,所述载体包括二氧化硅;所述活性组分包括二氧化铪。该负载型催化剂是用于合成烯烃的高效催化剂,组成简单,原料廉价易得。本申请还公开了负载型催化剂的制备方法,该方法至少包括以下步骤:(1)获得含有活性组分前驱体的溶液;(2)将载体加入到所述含有活性组分前驱体的溶液中,经反应、焙烧,得到所述负载型催化剂。该负载型催化剂的制备方法,工艺简单,可操作性强,可进行大规模工业生产。
Description
技术领域
本申请涉及负载型催化剂及其制备方法,更具体地涉及乙醇和乙醛反应制备1,3-丁二烯采用的负载型催化剂及其制备方法,属于催化合成领域。
背景技术
1,3-丁二烯是生产橡胶、树脂等产品的重要原料,其传统的生产方式是从石脑油裂解制乙烯过程的副产品中提取。随着石油资源的日益枯竭,迫切的需求人们寻找其它的资源或者开发新的生产路径来获得生产、生活中必不可少的基础化工原料。
乙醇催化转化合成1,3-丁二烯是20世纪40年代,世界上主要的1,3-丁二烯生产方法,后来逐渐被石油路线取代。近年来,通过生物发酵工艺生产的乙醇产量逐渐增加,另外,煤制乙醇工艺路线的成功突破将会进一步提升我国乃至全世界乙醇的产能。因此,利用乙醇代替传统石油路线生产1,3-丁二烯更具有现实意义,再度引起了研究者们的广泛关注。
根据催化剂以及反应工艺的差异,乙醇转化为1,3-丁二烯的过程可分为一步法和两步法。相比一步法,两步法工艺中1,3-丁二烯的选择性更高,催化剂稳定时间长,更具有工业化应用的价值。乙醇和乙醛反应两步法的核心过程,而高效催化剂的开发则是该反应顺利进行的关键。目前,可用于乙醇乙醛反应制备1,3-丁二烯的催化剂种类较为单一,主要是五氧化二钽/二氧化硅和二氧化锆/二氧化硅体系对于一步法中经常使用的一些金属氧化物催化剂,在催化乙醇乙醛生成1,3-丁二烯的反应中,效果并不理想。因此,开发其它新型、高效的催化剂体系,拓展乙醇乙醛合成1,3-丁二烯反应适用催化剂种类范围,同时克服现有催化剂体系中存在的局限,是本领域研究者们重点研究的内容。
发明内容
根据本申请的一个方面,提供了负载型催化剂,该催化剂突破了现有催化剂组成的限制,在乙醇和乙醛合成1,3-丁二烯的反应中表现良好的催化性能,且制备工艺简单,原料廉价易得,可进行大规模工业生产。
所述负载型催化剂,其特征在于,所述负载型催化剂包括载体和负载在所述载体上的活性组分,所述载体包括二氧化硅;所述活性组分包括二氧化铪。
可选地,所述二氧化铪占所述负载型催化剂的0.5~10wt%。
可选地,所述二氧化铪占所述负载型催化剂的上限选自10wt%、9wt%、8wt%、7wt%、6wt%或5wt%;下限选自4wt%、3wt%、2wt%、1wt%或0.5wt%。
可选地,所述二氧化铪占所述负载型催化剂的1~5wt%。
可选地,所述二氧化硅为多孔二氧化硅。
所述二氧化硅源自粗孔硅胶、细孔硅胶、球形硅胶、啤酒硅胶、DavisilGrade系列硅胶、介孔二氧化硅、纳米二氧化硅、纯硅沸石中的至少一种。
可选地,所述活性组分还包括助剂,所述助剂含有金属氧化物。
可选地,所述助剂中的所述金属氧化物选自锆的氧化物、铜的氧化物、锌的氧化物、铬的氧化物、镁的氧化物中的至少一种。
可选地,所述金属氧化物选自二氧化锆、氧化铜、氧化锌、三氧化二铬、氧化镁中的至少一种。
可选地,所述助剂占所述负载型催化剂的0~2wt%。
可选地,所述助剂占所述负载型催化剂的0.2~1wt%。
可选地,所述助剂占所述负载型催化剂的上限选自2wt%、1.5wt%或1wt%;下限选自1wt%、0.5wt%或0.2wt%。
根据本申请的又一个方面,提供了所述负载型催化剂的制备方法,通过浸渍法制备得到的催化剂产品性能稳定,催化效率高,能够实现大规模工业化生产。
所述方法至少包括以下步骤:
(1)获得含有活性组分前驱体的溶液;
(2)将载体加入到所述含有活性组分前驱体的溶液中,经反应、焙烧,得到所述负载型催化剂。
可选地,所述活性组分前驱体选自可溶于水和/乙醇的铪盐中的至少一种。
可选地,所述活性组分前驱体选自氯化铪。
可选地,所述载体选自粗孔硅胶、细孔硅胶、球形硅胶、啤酒硅胶、Davisil Grade系列硅胶、介孔二氧化硅、纳米二氧化硅、纯硅沸石中的至少一种。
可选地,所述载体包括二氧化硅。
可选地,所述二氧化硅为多孔二氧化硅。
可选地,所述含有活性组分前驱体的溶液中还含有助剂前驱体。
可选地,所述助剂前驱体选自可溶于水和/或乙醇的锆盐、铜盐、锌盐、铬盐、镁盐中的至少一种。
可选地,所述助剂前驱体选自锆的硝酸盐、铜的硝酸盐、锌的硝酸盐、铬的硝酸盐、镁的硝酸盐中的至少一种。
可选地,所述助剂前驱体选自硝酸氧锆、三水硝酸铜、六水硝酸锌、九水硝酸铬、六水硝酸镁中的至少一种。
可选地,步骤(2)中所述反应为:在0℃~50℃温度范围内,搅拌2~30小时;然后在50~90℃温度范围内,搅拌至溶剂蒸干,得到固体样品。
可选地,步骤(1)所述含有活性组分前驱体的溶液中,溶剂包括水和/或乙醇。
作为一种实施方式,制备上述负载型催化剂的方法采用浸渍法通过以下步骤进行:
(1)将二氧化铪前驱体和助剂前驱体溶于溶剂中;
(2)将载体加入到二氧化铪前驱体溶液中,在低于50℃的温度下搅拌2~30小时,然后在50~90℃持续搅拌至溶液蒸干;
(3)所得到的固体,经进一步干燥、焙烧后,即得所述负载型催化剂。
可选地,所述二氧化铪前驱体为氯化铪。
可选地,所述助剂前驱体选自锆的硝酸盐、铜的硝酸盐、锌的硝酸盐、铬的硝酸盐、镁的硝酸盐中的至少一种。
可选地,步骤(1)所述含有活性组分前驱体的溶液中,溶剂包括水和/或乙醇。
可选地,步骤(2)中所述反应低于50℃温度的上限选自50℃、40℃、30℃、35℃、30℃或25℃;下限选自20℃、15℃、10℃、5℃或0℃。
可选地,步骤(2)中所述反应低于50℃温度为室温。
在本申请中,“室温”系指20~30℃。
可选地,步骤(2)中所述搅拌2~30小时的上限选自30小时、28小时、26小时、24小时、20小时、18小时、16小时、14小时或12小时;下限选自12小时、10小时、8小时、6小时、4小时或2小时。
可选地,步骤(2)中所述50~90℃搅拌至溶液蒸干中的50~90℃的上限选自90℃、85℃、80℃、75℃或70℃;下限选自70℃、65℃、60℃、55℃或50℃。
根据本申请的再一个方面,提供了上述负载型催化剂、上述方法制备得到的负载型催化剂中的至少一种在制备烯烃的反应中的应用。
作为一种实施方式,所述制备烯烃的反应为乙醇和乙醛制备1,3-丁二烯的反应。
根据本申请的又一个方面,提供了乙醇和乙醛生产1,3-丁二烯的方法,其特征在于,在负载型催化剂存在的条件下,将含有乙醇和乙醛的原料通入反应器中,在300~400℃温度下反应1~4小时,得到1,3-丁二烯;
所述负载型催化剂选自上述负载型催化剂、上述方法制备得到的负载型催化剂中的至少一种。
可选地,所述原料中乙醇和乙醛的摩尔比为2~3:1。
可选地,所述反应器为至少一个固定床反应器。
本申请能产生的有益效果包括:
1)本申请所提供的负载型催化剂,是用于合成烯烃的高效催化剂,组成简单,原料廉价易得。
2)本申请所提供的上述负载型催化剂的制备方法,制备工艺简单,可操作性强,可进行大规模工业生产。
具体实施方式
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,本申请的实施例中所采用的原料均通过商业途径购买,未经特殊处理直接使用。
实施例中,乙醇/乙醛转化率的计算方法为:
1,3-丁二烯选择性的计算方法为:
实施例1 催化剂的制备
取0.0152g氯化铪溶于10mL去离子水中,加入1.99g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪/二氧化硅催化剂,记为样品1#。
实施例2 催化剂的制备
取0.304g氯化铪溶于10mL去离子水中,加入1.80g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪/二氧化硅催化剂,记为样品2#。
实施例3 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0073g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.96g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品3#。
实施例4 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.1462g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.92g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品4#。
实施例5 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品5#。
实施例6 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL无水乙醇中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品6#。
实施例7 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0636g六水硝酸镁溶于10mL去离子水中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化镁/二氧化硅催化剂,记为样品7#。
实施例8 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0159g硝酸氧锆溶于10mL去离子水中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-二氧化锆/二氧化硅催化剂,记为样品8#。
实施例9 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0304g三水硝酸铜溶于10mL去离子水中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化铜/二氧化硅催化剂,记为样品9#。
实施例10 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0527g九水硝酸铬溶于10mL去离子水中,加入1.95g粗孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-三氧化二铬/二氧化硅催化剂,记为样品10#。
实施例11 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95g细孔硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品11#。
实施例12 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95gDavisil Grade 633型硅胶粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品12#。
实施例13 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95g介孔二氧化硅粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品13#。
实施例14 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95g纳米二氧化硅粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品14#。
实施例15 催化剂的制备
取0.0609g氯化铪和0.0366g六水硝酸锌溶于10mL去离子水中,加入1.95g纯硅沸石粉末,在室温下搅拌16h,然后在60℃持续搅拌至溶液蒸干,所得粉末在550℃空气气氛中焙烧4h,得到二氧化铪-氧化锌/二氧化硅催化剂,记为样品15#。
实施例16 催化剂的应用
取0.45g经过压片、20-40目过筛的样品1#,装入固定床反应器中,先在氮气气氛中450℃预处理60min,然后温度降至350℃,通入原料乙醇和乙醛(摩尔比:乙醇/乙醛=2.5/1)开始反应,原料流速0.014mL/min,氮气流速20mL/min,反应30min后进行分析。
产物分析利用安捷伦气相色谱7890在线分析,FID检测器,HP-PLOTQ毛细管柱。
反应3h的结果:乙醇/乙醛转化率35%,1,3-丁二烯选择性70%。
实施例17 催化剂的应用
取0.45g经过压片、20-40目过筛的样品2#,装入固定床反应器中,先在氮气气氛中450℃预处理60min,然后温度降至350℃,通入原料乙醇和乙醛(摩尔比:乙醇/乙醛=2.5/1)开始反应,原料流速0.014mL/min,氮气流速20mL/min,反应30min后进行分析。
产物分析利用安捷伦气相色谱7890在线分析,FID检测器,HP-PLOTQ毛细管柱。
反应3h的结果:乙醇/乙醛转化率50%,1,3-丁二烯选择性60%。
实施例18 催化剂的应用
取0.45g经过压片、20-40目过筛的样品3#,装入固定床反应器中,先在氮气气氛中450℃预处理60min,然后温度降至350℃,通入原料乙醇和乙醛(摩尔比:乙醇/乙醛=2.5/1)开始反应,原料流速0.014mL/min,氮气流速20mL/min,反应30min后进行分析。
产物分析利用安捷伦气相色谱7890在线分析,FID检测器,HP-PLOTQ毛细管柱。
反应3h的结果:乙醇/乙醛转化率33%,1,3-丁二烯选择性73%。
对其它样品进行反应结果测试,反应3h的结果与样品3#相似。
以上所述,仅是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.负载型催化剂,其特征在于,所述负载型催化剂包括载体和负载在所述载体上的活性组分,所述载体包括二氧化硅;所述活性组分包括二氧化铪。
2.根据权利要求1所述的负载型催化剂,其特征在于,所述二氧化铪占所述负载型催化剂的0.5~10wt%;
优选地,所述二氧化铪占所述负载型催化剂的1~5wt%。
3.根据权利要求1或2所述的负载型催化剂,其特征在于,所述活性组分还包括含有助剂,所述助剂含有金属氧化物;
所述助剂中的金属氧化物选自锆的氧化物、铜的氧化物、锌的氧化物、铬的氧化物、镁的氧化物中的至少一种;
优选地,所述金属氧化物选自二氧化锆、氧化铜、氧化锌、三氧化二铬、氧化镁中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的负载型催化剂,其特征在于,所述助剂占所述负载型催化剂的0~2wt%;
优选地,所述助剂占所述负载型催化剂的0.2~1wt%。
5.权利要求1-4中任一项所述的负载型催化剂的制备方法,其特征在于,所述方法至少包括以下步骤:
(1)获得含有活性组分前驱体的溶液;
(2)将载体加入到所述含有活性组分前驱体的溶液中,经反应、焙烧,得到所述负载型催化剂。
所述活性组分前驱体选自可溶于水和/或乙醇的铪盐中的至少一种;
优选地,所述活性组分前驱体选自氯化铪。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述含有活性组分前驱体的溶液中还含有助剂前驱体;
所述助剂前驱体选自可溶于水和/或乙醇的锆盐、铜盐、锌盐、铬盐、镁盐中的至少一种;
优选地,所述助剂前驱体选自锆的硝酸盐、铜的硝酸盐、锌的硝酸盐、铬的硝酸盐、镁的硝酸盐中的至少一种;
进一步优选地,所述助剂前驱体选自硝酸氧锆、三水硝酸铜、六水硝酸锌、九水硝酸铬、六水硝酸镁中的至少一种。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述反应为:在0℃~50℃温度范围内,搅拌2~30小时;然后在50~90℃温度范围内,搅拌至溶剂蒸干,得到固体样品。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤(1)所述含有活性组分前驱体的溶液中,溶剂包括水和/或乙醇。
9.权利要求1-4中任一项所述的负载型催化剂、权利要求5-8中任一项所述的方法制备得到的负载型催化剂中的至少一种在制备烯烃的反应中的应用;
优选地,所述制备烯烃的反应为乙醇和乙醛制备1,3-丁二烯的反应。
10.一种乙醇和乙醛生产1,3-丁二烯的方法,其特征在于,在负载型催化剂存在的条件下,将含有乙醇和乙醛的原料通入反应器中,在300~400℃温度下反应1~4小时,得到1,3-丁二烯;
所述负载型催化剂选自权利要求1-4中任一项所述的负载型催化剂、权利要求5-8中任一项所述的方法制备得到的负载型催化剂中的至少一种;
优选地,所述反应器为至少一个固定床反应器。
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