CN114160140B - 一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本本发明涉及纳米金属催化剂制备技术领域,尤其涉及一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法,该方法包括以下步骤:S1、将玄武岩纤维加入改性剂中进行改性,再干燥、焙烧得到改性后的玄武岩纤维;S2、将S1中改性后的玄武岩纤维与铜盐溶液、镍盐溶液混匀,并加入还原剂,反应得到负载催化剂;S3、在还原性气体条件下,将S2反应得到的负载催化剂焙烧,得到成型的催化剂;S4、将S3得到成型的催化剂与冰醋酸、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水混匀,研磨成浆液,然后将堇青石蜂窝陶瓷基体浸泡在浆液中;最后将涂覆了浆液的堇青石蜂窝陶瓷基体进行干燥与焙烧得到本发明催化剂。该催化剂有效的应用于二氧化碳的催化转化,其效率高。
Description
技术领域
本发明涉及纳米金属催化剂制备技术领域,尤其涉及一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法。
背景技术
化石能源大量开采使用,使得自然CO2循环平衡被打破,导致大气中CO2浓度逐年增加.因此,降低CO2排放是控制大气中CO2浓度的关键所在,其中,将CO2转化为高附加值的化工产品是目前研究较多方案,例如将CO2转化为CH3OH、C2H4、DMC和其他化工产品。DMC作为环保绿色溶剂,广泛应用在汽油添加剂、羰基化试剂、锂电池电解液等领域。因此,将CO2转化为DMC是非常符合绿色化学和碳中和发展理念,而催化剂是催化转化CO2的核心条件,目前关于此类催化剂报道较少,因此有必要设计和开发用于CO2催化转化的催化剂。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题,提出一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法,该催化剂有效的应用于二氧化碳的催化转化,其效率高。
本发明提供了一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法,包括以下步骤:
S1、将玄武岩纤维加入改性剂中进行改性,再干燥、焙烧得到改性后的玄武岩纤维;
S2、将S1中改性后的玄武岩纤维与铜盐溶液、镍盐溶液混匀,并加入还原剂,反应得到负载催化剂;
S3、在还原性气体条件下,将S2反应得到的负载催化剂焙烧,得到成型的催化剂;
S4、将S3得到成型的催化剂与冰醋酸、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水混匀,并研磨成浆液,然后将堇青石蜂窝陶瓷基体浸泡在浆液中;最后将涂覆了浆液的堇青石蜂窝陶瓷基体进行干燥与焙烧得到本发明催化剂。
可选地,在S1中,所述改性剂为氢氧化钠、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或盐酸中的一种,所述干燥温度为80℃,所述焙烧温度为500℃。
可选地,所述氢氧化钠溶液的浓度为0.1-0.5mol/L,所述盐酸的浓度为0.1-0.5mol/L,所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的加入量为玄武岩纤维质量的2wt%。
可选地,在S2中,所述还原剂为硼氢化钠,所述铜盐溶液和镍盐溶液总摩尔量与所述硼氢化钠的摩尔比为(2-5):1,反应时间为2-5h。
可选地,在S2中,按原料总重量的百分含量计,所述铜盐溶液中的铜离子和所述镍盐中的镍离子总负载量为10-25wt%。
可选地,所述铜盐溶液为硝酸铜溶液,所述镍盐溶液为硝酸镍溶液,所述铜盐溶液中的铜离子与所述镍盐溶液中的镍离子摩尔比为1:1。
可选地,在S3中,所述还原性气体包括氢气与氮气,所述氢气与氮气的体积比为1:9,所述焙烧温度400-500℃,焙烧2-5h。
可选地,在S4中,所述冰醋酸的加入量为成型的催化剂质量的3wt%。
可选地,在S4中,所述焙烧温度控制在400-450℃,焙烧时间为3-4h。
与现有技术相比,本发明的有益之处在于:
1、本发明采用具有丰富酸碱位点且价格低廉的玄武岩纤维(BF)作为载体,铜镍纳米粒子为活性组分制备成粉末CuNi/BF催化剂;将催化剂涂覆在堇青石蜂窝陶瓷基体上制成高性能的CuNi/BF催化剂,该催化剂可以在固定床反应器中合成碳酸二甲酯。通过NaOH、KH550、HCl改性处理载体玄武岩纤维BF,调节玄武岩纤维的酸碱位点平衡,从而促进CuNi催化效率。
2、本发明制备的NaOH改性催化剂与HCl改性催化剂和未改性催化剂相比,反应物转化率和产物的收率明显提高。甲醇的最高转化率高达9.2%,DMC的收率高达7.65%,这主要得益于NaOH改性玄武岩纤维BF碱性位点更加有利于DMC的合成,调节了载体酸碱位点平衡,以利于反应的正向进行,而达到了高活性的目的。
附图说明
图1A为未改性的玄武岩纤维的SEM图。
图1B为本发明实施例1改性后玄武岩纤维的SEM图。
图2为本发明实施例1制备得到的CuNi/BF-N整体式催化剂的SEM图。
图3为本发明实施例1改性后的玄武岩纤维的SEM-EDS能谱图。
图4为本发明施例1制备得到的CuNi/BF-N整体式催化剂的SEM-EDS能谱图。
图5为本发明实施例1-4最终制备得到的催化剂的XRD图。
图6为本发明实施例1-4最终制备得到催化剂的CO2-TPD图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
配置100mL浓度为0.2mol/LNaOH溶液置于250mL三颈瓶中,再加入过500目-800目筛的玄武岩纤维5g,磁力搅拌0.5h。过滤洗涤直至上清液pH值为中性,80℃干燥箱干燥10-24h,再经过马弗炉500℃焙烧得到NaOH改性玄武岩纤维BF-N。
将0.3485gCu(NO3)2·3H2O和0.418gNi(NO3)2·6H2O搅拌溶解于14.2mL的去离子水中,获得硝酸盐前驱体混合液;将1gBF-N载体溶于10mL无水乙醇中,超声10min,使载体均匀分散。将前驱体溶液加入到含载体的乙醇溶液中,搅拌30min,超声10min,使Cu、Ni离子均匀分散到载体上,然后逐滴加入现配的2mol/L硼氢化钠溶液,硼氢化钠溶液用量2毫升,滴加完毕后,继续搅拌3h,搅拌结束后,使用去离子水与乙醇混合液离心3次,洗去NO3 -等离子;将得到的固体产物于80℃真空干燥12h,在管式炉中通入H2与N2体积比1:9的混合气体,在混合气体气氛下450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-N粉末催化剂,命名Pow-CuNi/BF-N。
将6g CuNi/BF-N,0.18mL醋酸,0.15mLγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和2.4mL去离子水研磨成浆液;将堇青石蜂窝陶瓷基体浸泡在浆液中,用空压机将多余的浆液吹出;最后将涂覆了浆液的基体放在真空烘箱干燥,80℃干燥12h,管式炉中450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-N整体式催化剂,命名Mon-CuNi/BF-N,记为Cat1。
从图1B中可以看出,玄武岩纤维经过NaOH改性产生了块状剥落的情况,这是因为玄武岩纤维载体的-O-Si-O-和-O-Al-O-键被破坏,-O-Si-O-和-O-Al-O-键是组成玄武岩纤维的框架的基本单元,因此NaOH改性呈现块状剥落。
从图2可以看出原本表面光滑的玄武岩纤维,表面覆盖着密集的堆积物,这是因为CuNi合金粒子负载在玄武岩纤维上。
从图3可以看出玄武岩纤维并不含有Cu和Ni两种元素,含有Si、Al、Fe、O、Na、Mg、Ca、Ti等元素。
从图4可以看出催化剂含有Cu和Ni两种元素,说明Cu和Ni是成功负载在玄武岩纤维上。
实施例2
配置100mL浓度为0.2mol/L HCl溶液置于250mL三颈瓶中,再加入过500目-800目筛的玄武岩纤维5g,磁力搅拌0.5h。过滤洗涤直至上清液pH值为中性,80℃干燥箱干燥过夜,再经过马弗炉500℃焙烧得到HCl改性玄武岩纤维BF-H。
将0.3485gCu(NO3)2·3H2O和0.418g Ni(NO3)2·6H2O搅拌溶解于14.2mL的去离子水中,获得硝酸盐前驱体混合液;将1gBF-H载体溶于10mL无水乙醇中,超声10min,使载体均匀分散。将前驱体溶液加入到含载体的乙醇溶液中,搅拌30min,超声10min,使Cu、Ni离子均匀分散到载体上,然后逐滴加入现配的2mol/L硼氢化钠溶液,硼氢化钠溶液用量2毫升,滴加完毕后,继续搅拌3h,搅拌结束后,使用去离子水与乙醇混合液离心3次,洗去NO3 -等离子;将得到的固体产物于80℃真空干燥12h,在管式炉中通入H2与N2体积比1:9的混合气体,在混合气体气氛下450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-H粉末催化剂,命名Pow-CuNi/BF-H。
将6g CuNi/BF-H,0.18mL冰醋酸,0.15mLγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和2.4mL去离子水研磨成浆液;将堇青石蜂窝陶瓷基体浸泡在浆液中,用空压机将多余的浆液吹出;最后将涂覆了浆液的基体放在真空烘箱干燥,80℃干燥12h,管式炉中450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-H整体式催化剂,命名Mon-CuNi/BF-H,记为Cat2。
实施例3
称取5g玄武岩纤维,再经过马弗炉500℃焙烧得到未玄武岩纤维BF-U。
将0.3485g Cu(NO3)2·3H2O和0.418g Ni(NO3)2·6H2O搅拌溶解于14.2mL的去离子水中,获得硝酸盐前驱体混合液;将1gBF-U载体溶于10mL无水乙醇中,超声10min,使载体均匀分散。将前驱体溶液加入到含载体的乙醇溶液中,搅拌30min,超声10min,使Cu、Ni离子均匀分散到载体上,然后逐滴加入现配的2mol/L硼氢化钠溶液,硼氢化钠溶液用量2毫升,滴加完毕后,继续搅拌3h,搅拌结束后,使用去离子水与乙醇混合液离心3次,洗去NO3 -等离子;将得到的固体产物于80℃真空干燥12h,在管式炉中通入H2与N2体积比1:9的混合气体,在混合气体气氛下450℃焙烧3h,得CuNi/BF-U粉末催化剂,命名Pow-CuNi/BF-U。
将6g CuNi/BF-U,0.18mL冰醋酸,0.15mLγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和2.4mL去离子水研磨成浆液;将堇青石蜂窝陶瓷浸泡在浆液中,用空压机将多余的浆液吹出;最后将涂覆了浆液的基体放在真空烘箱干燥,80℃干燥12h,管式炉中450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-U整体式催化剂,命名Mon-CuNi/BF-U,记为Cat3。
实施例4
配置100mL乙醇和水的混合溶液V乙醇:V水=9:1溶液置于250mL三颈瓶中,加入0.15mLKH550,水解30分钟后再加入过完500目-800目筛的玄武岩纤维5g,磁力搅拌0.5h。过滤洗涤,80℃干燥箱干燥过夜,再经过马弗炉500℃焙烧得到KH550改性玄武岩纤维BF-K。
将0.3485g Cu(NO3)2·3H2O和0.418gNi(NO3)2·6H2O搅拌溶解于14.2mL的去离子水中,获得硝酸盐前驱体混合液;将1gBF-K载体溶于10mL无水乙醇中,超声10min,使载体均匀分散。将前驱体溶液加入到含载体的乙醇溶液中,搅拌30min,超声10min,使Cu、Ni离子均匀分散到载体上,然后逐滴加入现配的2mol/L硼氢化钠溶液,硼氢化钠溶液用量2毫升,滴加完毕后,继续搅拌3h,搅拌结束后,使用去离子水与乙醇混合液离心3次,洗去NO3 -等离子;将得到的固体产物于80℃真空干燥12h,在管式炉中通入H2与N2体积比1:9的混合气体,在混合气体气氛下450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-K粉末催化剂,命名Pow-CuNi/BF-K。
将6g CuNi/BF-K,0.18mL冰醋酸,0.15mLγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和2.4mL去离子水研磨成浆液;将堇青石蜂窝陶瓷浸泡在浆液中,用空压机将多余的浆液吹出;最后将涂覆了浆液的基体放在真空烘箱干燥,80℃干燥12h,管式炉中450℃焙烧3h,得到CuNi/BF-K整体式催化剂,命名Mon-CuNi/BF-K,记为Cat4。
从图5看出实施例1-4最终制备得到催化剂在2θ大约为43.9°,51.1°和75.2°展示了三个特征衍射峰,并且衍射峰均介于纯Cu(PDF#04-0836)和纯Ni(PDF#04-0850)的(111)、(200)和(220)晶面衍射峰之间,说明双金属之间是以CuNi合金的形式存在。
从图6看出实施例1-4最终制备得到催化剂都呈现两组峰,0-300℃CO2脱附峰面积大小排序为未改性、HCl改性、KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)改性、NaOH改性,300-500℃CO2脱附峰面积大小为未改性、NaOH改性、HCl改性、KH550改性。
试验例
实施例1-4制备的催化剂的活性测试:
CH3OH与CO2直接合成DMC的反应在连续固定床反应器上进行。将实施例1-4制备的整体式催化剂分别装在钢管反应器中,在温度为160℃,压力为2.4MPa,空速为2880gcat -1h-1(nCH3OH:nCO2=2:1)的反应条件下进行反应,采用在线检测产物。使用Agilent GC7890B气相色谱仪对产物的组成进行分析。测试结果见表1。表中,XCH3OH是甲醇转化率,SDMC是碳酸二甲酯选择性,YDMC是碳酸二甲酯收率。其结果如下表1
表1各催化剂活性测试
催化剂 | XCH3OH(%) | SDMC(%) | YDMC(%) |
Cat1 | 9.2 | 83.1 | 7.6 |
Cat2 | 6.1 | 78.2 | 4.8 |
Cat3 | 6.8 | 79.6 | 5.4 |
Cat4 | 7.8 | 82.4 | 6.4 |
由表1看出,经过NaOH改性的玄武岩纤维制备的催化剂Cat1活性表现最好,相较于HCl改性Cat2、未改性Cat3和硅烷偶联剂KH550改性的Cat4反应物转化率和产物的收率明显提高。甲醇的最高转化率高达9.2%,DMC的收率高达7.6%,这主要得益于NaOH改性的玄武岩纤,调节了酸碱位点平衡更有利于反应进行,并且整体式催化剂更利于活性粒子与反应物的充分接触,同时可以将生成的副产物水及时排出到反应体系,以利于反应的正向进行,而达到了高活性,高稳定性的目的。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种用于二氧化碳催化转化催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、将玄武岩纤维加入改性剂中进行改性,再干燥、焙烧得到改性后的玄武岩纤维;
S2、将S1中改性后的玄武岩纤维与铜盐溶液、镍盐溶液混匀,并加入还原剂,反应得到负载催化剂,按原料总重量的百分含量计,所述铜盐溶液中的铜离子和所述镍盐中的镍离子总负载量为10-25wt%;
S3、在还原性气体条件下,将S2反应得到的负载催化剂焙烧,得到成型的催化剂;
S4、将S3得到成型的催化剂与冰醋酸、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水混匀,并研磨成浆液,然后将堇青石蜂窝陶瓷基体浸泡在浆液中;最后将涂覆了浆液的堇青石蜂窝陶瓷基体进行干燥与焙烧得到催化剂;
所述改性剂为氢氧化钠、γ-氨丙基三乙氧基硅烷或盐酸中的一种;
所述铜盐溶液中的铜离子与所述镍盐溶液中的镍离子摩尔比为1:1。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在S1中,所述干燥温度80℃,所述焙烧温度为500℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述氢氧化钠溶液的浓度为0.1-0.5mol/L,所述盐酸的浓度为0.1-0.5mol/L,所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的加入量为玄武岩纤维质量的2wt%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在S2中,所述还原剂为硼氢化钠,所述铜盐溶液和镍盐溶液总摩尔量与所述硼氢化钠的摩尔比为(2-5):1,反应时间为2-5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铜盐溶液为硝酸铜溶液,所述镍盐溶液为硝酸镍溶液。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在S3中,所述还原性气体包括氢气与氮气,所述氢气与氮气的体积比为1:9,所述焙烧温度400-500℃,焙烧2-5h。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在S4中,所述冰醋酸的加入量为成型的催化剂质量的3wt%。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在S4中,所述焙烧温度控制在400-450℃,焙烧时间为3-4h。
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