CN113289693A - 一种氨分解催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氨分解技术领域,具体涉及一种氨分解催化剂及其制备方法和应用。本发明提供的氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾进行球磨,得到金属盐混合物粉末;将金属盐混合物粉末进行焙烧,然后经氢气还原,得到所述氨分解催化剂。本发明提供的氨分解催化剂的制备方法,通过“一锅式”加入特定原料醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾,并通过球磨处理得到金属盐混合物粉末,然后经焙烧、氢气还原制备得到所述氨分解催化剂,几种步骤相互配合,可大大降低钌金属粒径,提高催化剂的低温活性。
Description
技术领域
本发明涉及氨分解技术领域,具体涉及一种氨分解催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
氢能具有绿色、零碳、可再生、能量密度高、热值高、能量利用效率高和原料来源广泛等优点,而且燃烧产物是水,不会造成环境污染,被视为一种极具应用前景的清洁能源,因此氢的存储技术显得十分重要。大规模经济、高效的生产、存储和安全运输等技术将直接影响到氢能技术的大规模利用。
近年来,氨作为氢的储存介质受到越来越多的关注。氨具有许多优点,如高质量(17.7wt%H2)和高H2体积密度、高能量密度、在温和条件下(20℃和0.8Mpa)为液态以及年产量十亿吨等。因此,在未来的氢经济中,NH3可能作为H2载体发挥重要作用。目前,随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究和开发的快速进展,通过NH3分解产生无COx的H2在能量储存和经济效益方面引起了相当大的关注。氨分解制氢由于不会产生碳氧化物、工艺简单、投资少且运行成本较低、操作简单、维护方便、运行安全可靠等优点,是制取燃料电池用氢的有效途径之一。
目前工业上氨分解制氢大多数采用铁或镍催化剂,反应温度在800℃以上,能耗高,且设备腐蚀严重。因此,研究开发适用于低温氨分解的高活性催化剂受到了广泛关注。研究表明,钌金属纳米粒子对氨分解反应表现出优异的低温活性,是目前已报道的最好的活性组分之一,其负载型催化剂主要有Ru/碳纳米管、Ru/活性碳、Ru/Al2O3、Ru/MgO等。其中,Ru/碳纳米管催化剂表现出较高的低温活性,但碳纳米管价格相对昂贵,堆积密度小,增加成型成本,尤其是在临氢反应条件下容易发生甲烷化,限制了其大规模实际应用。除了Ru/碳纳米管,Ru/MgO也表现出良好的氨分解活性。
目前文献报道的Ru/MgO催化剂的制备方法有浸渍法、沉积沉淀法、多元醇还原法、胶体沉积法、化学气相沉积法等。浸渍法是最简单的制备方法,但是得到的Ru金属粒径较大,导致活性较差。为获得高活性Ru/MgO催化剂,有文献采用尿素沉积沉淀法制备Ru/MgO催化剂:首先将RuCl3和MgO分散于水溶液中,然后加入过量尿素,并在80℃进行水解,使钌物种沉淀在MgO表面,再经80℃干燥和500℃氨气还原得到催化剂,其在450℃的氨转化率也仅为56.5%。此外,Ru催化剂的活性还可通过添加碱金属/碱土金属助剂如钾得到进一步提高。一般采用浸渍法添加钾助剂,如上述沉积沉淀法制备得到的催化剂经氨气还原得到还原态Ru/MgO,然后将KOH乙醇溶液滴加到Ru/MgO,再经干燥和焙烧制得K-Ru/MgO催化剂。
综合上述文献报道,目前氧化镁负载钌基催化剂的制备路线为先合成镁化合物载体-负载钌前驱体-焙烧-还原制备Ru/MgO,然后再浸渍钾盐溶液-焙烧-还原等步骤制得K-Ru/MgO,其制备过程涉及多次液相合成和焙烧还原处理,流程繁琐,耗时长,增加了催化剂生产成本,且制备得到的催化剂活性有限。
因此,有必要开发一种更简单的氧化镁负载钌基催化剂的制备方法,同时该方法制备得到的催化剂还应具有优异的低温催化活性。
发明内容
因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中氧化镁负载钌基催化剂的制备工艺繁琐、流程长,且制备得到的催化剂低温催化活性低,氨分解效果欠佳的缺陷,从而提供一种氨分解催化剂及其制备方法和应用。
为此,本发明提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾进行球磨,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末进行焙烧,然后经氢气还原,得到所述氨分解催化剂。
优选的,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(20-60)∶(0.1-1);
优选的,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(26-44)∶(0.3-0.6)。
优选的,步骤1)中所述球磨转速为700-1000r/min,所述球磨时间为1-3h。
优选的,步骤2)中所述焙烧在空气气氛中进行,所述焙烧温度为480-530℃,所述焙烧时间为4-6h;
所述氢气还原温度为450-530℃,还原时间为0.3-1h。
可选的,步骤2)中所述焙烧温度和氢气还原温度可通过程序升温的途径实现,可选的,焙烧阶段程序升温速率为2-4℃/min,还原阶段程序升温速率为8-12℃/min。
优选的,步骤1)中球磨处理包括如下步骤:将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾置于球磨罐中,并放入玛瑙小球,于球磨机中进行球磨,得到金属盐混合物粉末。
优选的,在球磨处理中,醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶(13-17)。
优选的,在球磨处理中,醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为15∶1。
优选的,步骤2)中焙烧结束后,还包括将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物的步骤。优选的,所述颗粒状混合物的粒径为30-60目。
优选的,所述球磨机为行星式球磨机。
优选的,本发明不对球磨罐的体积做具体限定,可选的,球磨罐的体积为250mL,本发明不对玛瑙小球的直径和数目做具体限定,玛瑙小球的直径和数目的选择为本领域技术人员进行球磨处理所采用的常规手段。可选的,玛瑙小球选择不同直径的玛瑙小球,具体的可为直径为3mm玛瑙小球20个,直径为6-7mm玛瑙小球90个,直径为8-10mm玛瑙小球55个。
本发明还提供一种氨分解催化剂,所述氨分解催化剂包括活性组分、载体和助剂,所述活性组分为金属钌,所述载体为氧化镁,所述助剂为氧化钾;
以质量百分比计,钌占催化剂的3-5%,氧化镁占催化剂的90.4-95.6%,氧化钾占催化剂的1.4-4.6%。
优选的,所述氨分解催化剂由上述所述的制备方法制备得到。
本发明还提供一种上述所述的制备方法制备得到的氨分解催化剂,上述所述的氨分解催化剂在氨分解中的应用。
本发明技术方案,具有如下优点:
1.本发明提供的一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾进行球磨,得到金属盐混合物粉末;将金属盐混合物粉末进行焙烧,然后经氢气还原,得到所述氨分解催化剂。
本发明以醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾三种特定的金属盐作为反应原料,由于该三种金属盐均是由金属阳离子与醋酸根离子形成的有机金属盐,具有相似的分子结构或晶体结构以及物理化学性质,通过球磨处理使其更易达到纳米水平甚至分子水平、原子水平的均匀分散,其中醋酸根基团的引入有利于增强K、Ru、Mg组分之间的相互作用,获得高分散钌催化剂。同时本发明通过“一锅式”添加醋酸钾有效抑制了钌金属烧结长大,钌金属粒子主要分布于1-6nm,粒径更小、分散度更高。
本发明提供的氨分解催化剂的制备方法通过“一锅式”加入特定原料醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾,并通过球磨处理,致使材料进行原子尺寸上的混合,产生大比表面积的细化颗粒,并形成高密度缺陷组织,在研磨过程中使材料产生缺陷和新的界面,得到的颗粒尺寸小,颗粒分散度好,制备得到的金属盐混合物粉末,然后经焙烧、氢气还原得到所述氨分解催化剂,几种步骤相互配合,可大大降低钌金属粒径,提高催化剂的低温活性。相比于现有制备方法先合成镁化合物载体-负载钌前驱体-焙烧-还原得到Ru/MgO催化剂、再浸渍钾盐溶液-焙烧-还原处理相比,操作流程少,制备周期短,且不使用溶剂,也不产生废水,是一种更简单、易操作的制备方法。
同时通过本发明制备方法制备得到的催化剂其钌金属粒子主要分布于1-6nm,BET比表面积可达23-37m2/g,对氨分解反应表现出优异的低温活性,在原料气为纯氨、空速为30000mL/(g·h)条件下,反应温度450℃时的氨转化率最高可达96%以上,500℃时的氨转化率最高可达99%以上。
2.本发明提供的一种氨分解催化剂的制备方法,进一步的,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(20-60)∶(0.1-1);优选的,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(26-44)∶(0.3-0.6)。本发明通过控制上述原料特定的质量比例,有利于进一步降低钌金属粒径,提高催化剂的低温催化活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图2是本发明实施例1制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图3是本发明实施例2制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图4是本发明实施例2制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图5是本发明实施例3制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图6是本发明实施例3制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图7是本发明实施例4制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图8是本发明实施例4制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图9是本发明对比例1制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图10是本发明对比例1制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图11是本发明对比例2制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图12是本发明对比例2制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图13是本发明对比例3制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图14是本发明对比例3制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图15是本发明对比例4制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射谱图;
图16是本发明对比例4制备的氨分解催化剂的透射电镜图;
图17是本发明实施例3制备的氨分解催化剂对氨分解反应的长期稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1115g醋酸钌、4.8758g醋酸镁和0.0351g醋酸钾置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用等离子体光谱仪对上述制备得到的氨分解催化剂进行分析,以质量百分比计,钌占氨分解催化剂的3%,氧化镁占催化剂的95.6%,氧化钾占催化剂的1.4%。
采用X射线粉末衍射表征上述所制备催化剂的晶相结构,如图1所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)晶面,峰强度较弱,表明钌金属粒径较小。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图2所示,钌金属粒子主要分布于1~2nm,平均粒径为1.4nm。
实施例2
本实施例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1115g醋酸钌、4.8758g醋酸镁和0.0702g醋酸钾置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用等离子体光谱仪对上述制备得到的氨分解催化剂进行分析,以质量百分比计,钌占氨分解催化剂的3%,氧化镁占催化剂的94.2%,氧化钾占催化剂的2.8%。
采用X射线粉末衍射表征上述所制备催化剂的晶相结构,如图3所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)晶面,峰强度较弱,表明钌金属粒径较小。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图4所示,钌金属粒子主要分布于1~3nm,平均粒径为2.1nm。
实施例3
本实施例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1859g醋酸钌、4.8758g醋酸镁和0.0585g醋酸钾置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目);然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用等离子体光谱仪对上述制备得到的氨分解催化剂进行分析,以质量百分比计,钌占氨分解催化剂的5%,氧化镁占催化剂的92.7%,氧化钾占催化剂的2.3%。
采用X射线粉末衍射表征上述所制备催化剂的晶相结构,如图5所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)晶面,峰强度较弱,表明钌金属粒径较小。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图6所示,钌金属粒子主要分布于1~5nm,平均粒径为2.0nm。
实施例4
本实施例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1859g醋酸钌、4.8758g醋酸镁和0.1170g醋酸钾置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球(直径为3mm玛瑙小球20个,直径为6mm玛瑙小球90个,直径为10mm玛瑙小球55个),将装有金属盐和玛瑙小球的球磨罐置于托盘天平一侧,在托盘天平另一侧放置一个空球磨罐,调节加入玛瑙小球的个数,使两个球磨罐的质量保持一致,然后将两个球磨罐固定在行星球磨机的对称位置上,设定球磨机自转速度为800r/min,球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉并程序升温至500℃在空气氛围下进行焙烧,升温速率为10℃/min,焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目);然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min),然后以5℃/min程序升温至500℃进行还原,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用等离子体光谱仪对上述制备得到的氨分解催化剂进行分析,以质量百分比计,钌占氨分解催化剂的5%,氧化镁占催化剂的90.4%,氧化钾占催化剂的4.6%。
采用X射线粉末衍射表征上述所制备催化剂的晶相结构,如图7所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)晶面,峰强度较弱,表明钌金属粒径较小。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图8所示,钌金属粒子主要分布于1~6nm,平均粒径为3.2nm。
对比例1
本对比例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1115g醋酸钌、4.8758g醋酸镁置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用X射线粉末衍射表征所制备催化剂的晶相结构,如图9所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°、68.9°、82.8°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)、(102)、(110)晶面,峰强度强,表明钌金属粒径较大。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图10所示,钌金属粒子主要分布于4~27nm,平均粒径为15.1nm。
对比例2
本对比例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1859g醋酸钌、4.8758g醋酸镁置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目);然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用X射线粉末衍射表征所制备催化剂的晶相结构,如图11所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、51.6°、68.9°、82.8°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(101)、(102)、(110)晶面,峰强度强,表明钌金属粒径较大。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图12所示,钌金属粒子主要分布于4~50nm,平均粒径为30.2nm。
对比例3
本对比例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.1115g醋酸钌、4.8758g醋酸镁置于250mL玛瑙球磨罐中,按醋酸钌、醋酸镁的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到还原处理的颗粒状混合物(即Ru/MgO混合物);
3)将还原处理的颗粒状混合物用玛瑙研钵研磨成粉末,作为载体,另外称取0.0702g醋酸钾溶于10mL乙醇,将醋酸钾乙醇溶液逐滴滴加到上述粉末载体上,待溶液滴加完后,置于100℃烘箱中干燥24h,再放入马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用X射线粉末衍射表征所制备催化剂的晶相结构,如图13所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8°、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面;位于2θ=44.9°、49.4°、51.6°、68.9°、82.8°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)晶面,峰强度较强,表明钌金属粒径较大。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图14所示,钌金属粒子主要分布于8~63nm,平均粒径为37.7nm。
对比例4
本对比例提供了一种氨分解催化剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将0.0831g氯化钌、3.2599g氯化镁和0.0533g氯化钾置于250mL玛瑙球磨罐中,按氯化钌、氯化镁、氯化钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15的比例放入玛瑙小球,于行星式球磨机中进行球磨,所述球磨转速为800r/min,所述球磨时间为2h,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末置于马弗炉中在空气氛围下进行焙烧,所述焙烧温度为500℃,所述焙烧时间为5h,焙烧结束后,将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物(颗粒状混合物的粒径为50目),然后将50mg颗粒状混合物置于固定床反应器中,通入氢气(氢气的通入速率为30mL/min)以对颗粒状混合物进行还原,所述氢气还原温度为500℃,还原时间为0.5h,得到所述氨分解催化剂。
采用X射线粉末衍射表征所制备催化剂的晶相结构,如图15所示,位于2θ=43.1°、50.2°、73.8、89.4°、94.6°的衍射峰对应于MgO的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面,衍射峰非常强,说明MgO晶粒尺寸很大;位于2θ=44.9°、49.4°、51.6°、68.9°、82.8°的衍射峰对应于钌金属的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)晶面,峰强度较强,表明钌金属粒径较大。此外,位于2θ=33.0°、47.4°、59.0°、69.3°、78.9°、88.3°的衍射峰对应于氯化钾的(200)、(220)、(222)、(400)、(420)、(422)晶面,说明形成了氯化钾晶相。
采用透射电镜分析所制备催化剂的钌金属粒径,如图16所示,钌金属粒子主要分布于3~35nm,平均粒径为14.9nm。
对比实施例1和对比例1所制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射图谱和透射电镜图可以看出,添加助剂钾明显地抑制了钌金属的烧结长大。同样地,对比实施例3和对比例2所制备的氨分解催化剂的X射线粉末衍射图谱和透射电镜图也可以看出,添加助剂钾明显地抑制了钌金属的烧结长大。进一步对比实施例2和对比例3的X射线粉末衍射谱图和透射电镜图可以看到,采用球磨法“一锅式”添加钾有效地抑制了钌金属的烧结长大,而采用传统浸渍法添加钾反而促进钌金属烧结长大,说明助剂钾的添加方式对钌分散状态有显著影响。另外,对比实施例2和对比例4的X射线粉末衍射图谱和透射电镜图可以看到,采用醋酸盐为前驱体得到的钌金属粒径明显小于采用氯化物为前驱体得到的钌金属粒径,说明金属盐前驱体对钌分散状态有显著影响,醋酸盐前驱体优于氯化物前驱体。
测试例1
测试实施例1-4和对比例1-4制备得到的氨分解催化剂的BET比表面积、孔容和平均孔径,结果如表1所示。
表1氨分解催化剂的织构性质
测试例2
测试实施例1-4和对比例1-4制备得到的氨分解催化剂的活性,催化剂对氨分解反应的活性评价在常压固定床反应器中进行,反应条件:催化剂50mg,原料气为纯氨气,流速25mL/min,空速为30000mL/(h·gcat),反应压力为常压,反应温度为350℃、400℃、450℃、500℃。根据公式氨转化率=(初始氨流量-反应后氨流量)/初始氨流量*100%,计算氨的转化率,测试结果如表2所示。
表2氨分解催化剂对低温氨分解反应的活性测试结果
对比实施例1和对比例1所制备的氨分解催化剂的活性可以看出,添加助剂钾显著提高了催化活性。同样地,对比实施例3和对比例2所制备的氨分解催化剂的活性也可以看出,添加助剂钾显著提高了催化活性。
进一步对比实施例2和对比例3的活性可以看到,采用球磨法“一锅式”添加钾有效地提高了催化活性。另外,对比实施例2和对比例4的活性可以看到,采用醋酸盐为前驱体得到的催化剂相比于采用氯化物为前驱体得到的催化剂,其催化活性显著提高。
测试例3
测试实施例3制备的催化剂在450℃氨分解反应的长期稳定性,对氨分解反应的稳定性测试在常压固定床反应器中进行,反应条件:催化剂50mg,原料气为纯氨气,流速25mL/min,空速为30000mL/(h·gcat),反应压力为常压,反应温度为450℃。测试结果如图17所示。由图17可知,初始氨转化率约97%,经过50小时反应后,氨转化率略有下降,但是仍维持在95%以上,显示了良好的催化稳定性。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾进行球磨,得到金属盐混合物粉末;
2)将步骤1)得到的金属盐混合物粉末进行焙烧,然后经氢气还原,得到所述氨分解催化剂。
2.根据权利要求1所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(20-60)∶(0.1-1);
优选的,所述醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾的质量比为1∶(26-44)∶(0.3-0.6)。
3.根据权利要求1或2所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,步骤1)中所述球磨转速为700-1000r/min,所述球磨时间为1-3h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中所述焙烧在空气气氛中进行,所述焙烧温度为480-530℃,所述焙烧时间为4-6h;
所述氢气还原温度为450-530℃,还原时间为0.3-1h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,步骤1)中球磨处理包括如下步骤:将醋酸钌、醋酸镁和醋酸钾置于球磨罐中,并放入玛瑙小球,于球磨机中进行球磨,得到金属盐混合物粉末。
6.根据权利要求5所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,在球磨处理中,醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶(13-17);优选的,醋酸钌、醋酸镁、醋酸钾的总重量与玛瑙小球的质量比为1∶15。
7.根据权利要求1-6任一项所述的氨分解催化剂的制备方法,其特征在于,步骤2)中焙烧结束后,还包括将焙烧后得到的混合物粉末进行压片、破碎、过筛,得到颗粒状混合物的步骤。
8.一种氨分解催化剂,其特征在于,所述氨分解催化剂包括活性组分、载体和助剂,所述活性组分为金属钌,所述载体为氧化镁,所述助剂为氧化钾;
以质量百分比计,钌占催化剂的3-5%,氧化镁占催化剂的90.4-95.6%,氧化钾占催化剂的1.4-4.6%。
9.根据权利要求8所述的氨分解催化剂,其特征在于,所述氨分解催化剂由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的氨分解催化剂,或权利要求8或9所述的氨分解催化剂在氨分解中的应用。
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