CN112844362B - 一种提高氧化和氧化脱氢反应中金属氧化物催化剂活性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高氧化和氧化脱氢反应中金属氧化物催化剂活性的方法,利用金属氧化物能够在酸性或碱性溶液中发生溶解‑沉积的特性,将金属氧化物催化剂在酸性或碱性溶液中进行处理,然后干燥、煅烧。催化剂发生重构,其活性组分的均匀性和活性得到明显改善,从而显著提高其催化反应性能。本发明以二氧化碳氧化乙苯脱氢制苯乙烯作为探针反应。催化剂评价结果表明,利用不同pH的水溶液对氧化钒、氧化铈、氧化铁和氧化铬等负载型金属氧化物催化剂进行二次处理后,乙苯转化率能够提升8%~35%。本发明过程原理简单,易操作,成本低,对改善负载型金属氧化物催化剂催化性能具有普适性,效果明显,应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于催化剂技术领域,具体涉及一种利用酸性或碱性溶液二次处理金属氧化物催化剂提升其催化性能的方法。
背景技术
负载型钒、铈、铁和铬基等金属氧化物催化剂广泛应用于工业催化反应中,特别是催化氧化和氧化脱氢反应。目前在实验室和工业生产中,常规的负载型金属氧化物催化剂的制备方法有物理混合、浸渍法、水热法、沉淀法、溶胶凝胶法和离子交换法等。一般而言,催化反应中金属氧化物的结构和组分分布是决定催化活性的关键因素。由于不同的催化剂制备方法能够显著影响活性组分和载体的结构及分布,进而导致催化活性差异较大。尽管目前实验室及工业界不断在开发新的催化剂制备方法以及催化剂二次加工处理工艺,但是,高效催化剂的可控合成依然是一个挑战。因此,不管是从探究科学问题还是从实际工业催化应用的角度出发,如何以一种简单、高效和低成本的催化剂制备方法或二次加工处理方式,获得结构可控、组分均匀的金属氧化物催化剂都是十分必要的。
苯乙烯是工业上合成树脂、橡胶、塑料等高分子材料的重要单体之一。其中,利用CO2作为弱氧化剂氧化乙苯脱氢制苯乙烯(CO2-ODEB)可以明显克服传统乙苯直接脱氢工艺能耗大的缺点,同时在提高苯乙烯收率、温室气体CO2资源化利用等方面也具有重要作用,因此受到国内外研究学者的广泛关注。一般而言,钒氧化物、铈氧化物、铁氧化物和铬氧化物等金属氧化物催化CO2-ODEB反应普遍遵循氧化还原机理,同时,其催化反应活性与金属氧化物的结构和组分分布密切相关。因此,本发明利用CO2-ODEB作为探针反应,对本发明中制备的金属氧化物催化剂进行性能评价。
发明内容
本发明主要是针对目前负载型金属氧化物催化剂制备过程中结构和组分分布可控性差,进而导致其催化氧化和氧化脱氢反应活性低的问题,提供了一种能够有效调控活性物种结构和组份分布,获得高效的金属氧化物催化剂的方法。
基于上述目的,本发明采用的技术方案为:室温下,将制备的金属氧化物催化剂在酸性溶液或碱性溶液中浸泡处理,然后干燥、煅烧。
上述的金属氧化物催化剂中,活性组分为钒氧化物、铈氧化物、锆氧化物、铬氧化物、铁氧化物中的任意一种或多种,载体为二氧化钛、三氧化二铝、二氧化硅中任意一种。
上述方法中,所述的碱性溶液为氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水、乙二胺、精氨酸、赖氨酸、组氨酸中任意一种或多种的水溶液,碱性溶液的pH范围为7.5~13.5。
上述方法中,所述的酸性溶液为硝酸、醋酸、柠檬酸、草酸、天冬氨酸、谷氨酸中任意一种或多种的水溶液,酸性溶液的pH范围为2.0~6.5。
上述方法中,浸泡处理的温度为常温,处理时间为1~24h。
上述方法中,干燥温度在50~120℃之间。
上述方法中,煅烧温度在250~750℃之间。
本发明的有益效果如下:
1、本发明利用简单的酸性或碱性溶液对金属氧化物催化剂进行二次处理,通过金属氧化物催化剂在酸性或碱性溶液中能够发生溶解-沉积过程,促使活性组分和载体之间的界面进行重构,进而能够改善金属氧化物催化剂结构及组分分布,获得高活性的金属氧化物催化剂。
2、本发明对酸碱源无特殊要求,满足酸性或者碱性条件即可,碱液和酸液来源广泛,pH范围宽。
3、本发明在酸性或碱性溶液二次处理过程中,只需将原始催化剂进行浸泡,过程简单,易操作,条件温和,能耗小。
4、本发明整个过程原理简单,投入低,适用范围广,对提升金属氧化物催化剂催化性能具有一定的普适性。
5、本发明处理后金属氧化物催化剂用于催化二氧化碳氧化乙苯脱氢探针反应,乙苯转化率能够提升8%~35%,催化剂改进效果十分明显。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详细说明,但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
对比例1
将4.64g异丙醇铝加入38mL乙醇与甲苯体积比1:1的混合溶液中,充分混合,得到异丙醇铝溶液;将1.43g六水合硝酸铈、0.948g五水合硝酸锆加入55.2mL乙醇中搅拌至完全溶解后,加入上述异丙醇铝溶液中,混合均匀后90℃回流3h,常温静置12h,加入5.0mL水作沉淀剂,形成凝胶后80℃干燥12h,然后在550℃焙烧4h,获得铈基催化剂,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3,其质量百分比组成为:二氧化铈27.6%、二氧化锆14.4%、三氧化二铝58.0%。
实施例1
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于5mL pH=12的氢氧化钠水溶液中,密封,室温静置2h,然后水洗去除钠离子,100℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-1。
实施例2
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于8mL pH=6的醋酸水溶液中,密封,室温静置12h,然后60℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-2。
实施例3
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于5mL pH=12的氨水中,密封,室温静置8h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-3。
实施例4
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于8mL pH=6的草酸水溶液中,密封,室温静置5h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-4。
实施例5
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于10mL pH=12的组氨酸水溶液中,密封,室温静置18h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-5。
实施例6
将1g对比例1中的铈基催化剂粉末置于10mL pH=6的天冬氨酸水溶液中,密封,室温静置24h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3-AT-6。
对比例2
室温条件下,将2.12g P123完全溶于20mL无水乙醇中,形成溶液A;将4.08g异丙醇铝加入含有3.2mL浓硝酸的20mL无水乙醇中,形成溶液B;将0.52g九水合硝酸铬溶于2mL无水乙醇中,形成溶液C;将溶液A和溶液B混合并剧烈搅拌4h,然后加入溶液C,继续搅拌4h,然后60℃干燥48h,转入马弗炉400℃煅烧6h,再升温到550℃煅烧6h,得到铬基催化剂,记作Cr2O3-Al2O3,其质量百分比组成为:三氧化二铬6.0%、三氧化二铝94.0%。
实施例7
将1g对比例2中的铬基催化剂粉末置于8mL pH=6的草酸水溶液中,密封,室温静置12h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作Cr2O3-Al2O3-AT-7。
对比例3
将7.45g异丙醇铝加入60mL乙醇与甲苯体积比1:1的混合溶液中,充分混合,得到异丙醇铝溶液;将0.148g偏钒酸铵、0.320g二水合草酸加入9.2mL乙醇中搅拌至完全溶解后,加入上述异丙醇铝溶液中,混合均匀后90℃回流3h,常温静置12h,加入5.0mL水作沉淀剂,形成凝胶后80℃干燥12h,然后在550℃焙烧4h,获得钒基催化剂,记作V2O5-Al2O3,其质量百分比组成为:五氧化二钒6.0%、三氧化二铝94.0%。
实施例8
将1g对比例3中的钒基催化剂粉末置于5mL pH=12的氨水溶液中,密封,室温静置12h,然后80℃干燥8h,最后在空气中550℃焙烧4h,记作V2O5-Al2O3-AT-8。
对比例4
室温条件下,将2.12g P123完全溶于20mL无水乙醇中,形成溶液A;将4.08g异丙醇铝加入含有3.2mL浓硝酸的20mL无水乙醇中,形成溶液B;将0.52g九水合硝酸铁溶于2mL无水乙醇中,形成溶液C;将A溶液和B溶液混合并剧烈搅拌4h,然后加入C溶液,继续搅拌4h,然后60℃干燥48h,转入马弗炉400℃煅烧6h,再升温到600℃煅烧6h,得到铁基催化剂,记作Fe2O3-Al2O3。
实施例9
将对比例4中质量为1g的铁基催化剂粉末置于10mL pH=12的赖氨酸溶液中,密封,室温静置12h,然后80℃干燥8h,最后在空气中600℃焙烧4h,记作Fe2O3-Al2O3-AT-9。
为了证明本发明的有益效果,采用上述催化剂进行催化CO2-ODEB反应,对比例1~3及实施例1~8的催化反应条件为:乙苯和二氧化碳的摩尔比20、反应温度550℃、常压、乙苯质量空速0.6h-1,对比例4和实施例9的催化反应条件为:乙苯和二氧化碳的摩尔比20、反应温度600℃、常压、乙苯质量空速0.6h-1,反应结果见表1。
表1不同实施例与对比例的催化剂性能结果
乙苯转化率(%) | 苯乙烯选择性(%) | |
对比例1 | 21.4 | 95.4 |
实施例1 | 48.2 | 95.2 |
实施例2 | 33.2 | 96.0 |
实施例3 | 51.0 | 97.5 |
实施例4 | 41.4 | 96.3 |
实施例5 | 52.0 | 97.1 |
实施例6 | 48.3 | 96.0 |
对比例2 | 60.3 | 98.5 |
实施例7 | 72.3 | 98.2 |
对比例3 | 40.2 | 98.7 |
实施例8 | 65.3 | 98.2 |
对比例4 | 32.2 | 97.7 |
实施例9 | 55.3 | 97.4 |
由表1可见,酸液和碱液二次处理金属氧化物催化剂,能够显著提升其催化活性。此外,其催化活性提高程度与酸源,碱源以及pH密切相关。
Claims (3)
1.一种提高氧化和氧化脱氢反应中金属氧化物催化剂催化性能的方法,其特征在于:室温下,将制备的金属氧化物催化剂在碱性溶液中浸泡处理,然后干燥、煅烧;
所述碱性溶液为氢氧化钠、氨水、赖氨酸、组氨酸中任意一种的水溶液,碱性溶液的pH为12;
所述浸泡处理的温度为常温,处理时间为2~18 h;
所述金属氧化物催化剂中的活性组分为二氧化铈、二氧化锆,载体为三氧化二铝;其制备方法为:将4.64 g异丙醇铝加入38 mL乙醇与甲苯体积比1:1的混合溶液中,充分混合,得到异丙醇铝溶液;将1.43 g六水合硝酸铈、0.948 g五水合硝酸锆加入55.2 mL乙醇中搅拌至完全溶解后,加入上述异丙醇铝溶液中,混合均匀后90 ℃回流3 h,常温静置12 h,加入5.0 mL水作沉淀剂,形成凝胶后80 ℃干燥12 h,然后在550 ℃焙烧4 h,获得铈基催化剂,记作Ce0.6Zr0.4O2-Al2O3,其质量百分比组成为:二氧化铈27.6%、二氧化锆14.4%、三氧化二铝58.0%;
或者所述金属氧化物催化剂中的活性组分为五氧化二钒,载体为三氧化二铝;其制备方法为:将7.45 g异丙醇铝加入60 mL乙醇与甲苯体积比1:1的混合溶液中,充分混合,得到异丙醇铝溶液;将0.148 g偏钒酸铵、0.320 g二水合草酸加入9.2 mL乙醇中搅拌至完全溶解后,加入上述异丙醇铝溶液中,混合均匀后90 ℃回流3 h,常温静置12 h,加入5.0 mL水作沉淀剂,形成凝胶后80 ℃干燥12 h,然后在550 ℃焙烧4 h,获得钒基催化剂,记作V2O5-Al2O3,其质量百分比组成为:五氧化二钒6.0%、三氧化二铝94.0%;
或者所述金属氧化物催化剂中的活性组分为Fe2O3,载体为三氧化二铝;其制备方法为:室温条件下,将2.12 g P123完全溶于20 mL无水乙醇中,形成溶液A;将4.08 g异丙醇铝加入含有3.2 mL浓硝酸的20 mL无水乙醇中,形成溶液B;将0.52 g九水合硝酸铁溶于2 mL无水乙醇中,形成溶液 C;将A溶液和B溶液混合并剧烈搅拌4 h,然后加入C溶液,继续搅拌4h,然后60 ℃干燥48 h,转入马弗炉400 ℃ 煅烧6 h,再升温到600 ℃煅烧6 h,得到铁基催化剂,记作Fe2O3-Al2O3。
2.根据权利要求1所述的提高氧化和氧化脱氢反应中金属氧化物催化剂催化性能的方法,其特征在于:所述的干燥温度在50~120 ℃之间。
3.根据权利要求1所述的提高氧化和氧化脱氢反应中金属氧化物催化剂催化性能的方法,其特征在于:所述的煅烧温度在250~750 ℃之间。
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