CN114832820B - 一种改性蒙脱石负载钌基催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备及应用,其特征在于以3,6‑二(2‑吡啶基)‑1,2,4,5‑四嗪改性的蒙脱石为载体,钌卤化物为主活性组分,稀土金属为助活性组分,采用水热法负载主活性组分和助活性组分。钌卤化物的负载质量占催化剂总质量的10‑25%;稀土金属的负载质量占催化剂总质量的0.5‑3.0%。本发明的改性蒙脱石负载钌基催化剂在甲烷与二氧化碳合成乙酸反应中具有高活性。本发明催化剂具有成本低、制备工艺简单等优点,具有良好工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性蒙脱石负载钌基催化剂及其制备方法和应用,尤其涉及在催化甲烷与二氧化碳直接合成乙酸中的应用。
背景技术
乙酸是全球重要的化学品,用于制造醋酸盐、醋酸纤维素、医药和颜料等,也用作酸味剂,配制复合调味剂、醋、干酪等。乙酸的合成路线包括甲醇低压羰基化法、甲醇高压羰基化法、低碳烷烃液相氧化法、乙醛氧化法、乙炔氧化法和乙烯氧化法。其中甲醇低压羰基化法生产乙酸的主要方法,该方法的反应条件一般为175℃左右,压力为3MPa左右,乙酸产率>99%,此方法具有乙酸产率高、原料广泛等特点。
将甲烷与二氧化碳直接合成乙酸缩短了乙酸合成工艺,受到许多研究者的关注。此反应不仅可以有效缓解全球温室效应,还可以增加碳资源利用率。但由于该反应的热力学限制(ΔG>0),反应不易进行。为了打破热力学限制,黄伟采用两步法成功合成乙酸,但该方法能耗较高,反应流程繁琐[Journal of Catalysis,2001,201(1):100-104]。Abdelrahman M.Rabie制备了Cu°-K-ZSM-5催化剂用于该反应一步合成乙酸,在500℃下,乙酸生成速率为395μmol·gcat -1·h-1,该催化剂活性组分易团聚导致失活[AppliedCatalysis B:Environmental,2017,215:50–59]。采用SO4 2-/ZrO2固体超强酸催化剂能有效活化甲烷与二氧化碳共转化为乙酸,但乙酸产率和选择性较低,反应温度较高[NewJournal of Chemistry,2021,45(20):8978-8985]。因此,设计高效催化甲烷与二氧化碳合成乙酸的催化剂尤为关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种改性蒙脱石负载钌基催化剂,本发明的另一目的是提供了上述催化剂的制备方法,本发明还有一目的是提供上述催化剂的应用,该催化剂可以催化甲烷与二氧化碳合成乙酸,并得到较高乙酸产率。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种改性蒙脱石负载钌基催化剂,其特征在于以3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪改性的蒙脱石为载体,钌卤化物为主要活性组分,稀土金属氯化物为助活性组分;其中稀土金属氯化物为LaCl3、CeCl3或PrCl3中的一种;钌卤化物的负载质量占载体质量的10-25%,稀土金属氯化物的负载质量占载体质量的0.5-3.0%。
基于上述技术方案,优选的,所述的蒙脱石为钠型蒙脱石、钙型蒙脱石或镁型蒙脱石中的一种;钌卤化物为RuCl3、RuI3或RuBr3中的一种。
本发明还提供了制备上述改性蒙脱石负载钌基催化剂的方法,其具体步骤如下:
(1)改性蒙脱石的制备:
将蒙脱石加入到3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在40-80℃条件下搅拌5-12h,然后离心,干燥,得到改性蒙脱石;所述的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液和蒙脱石的质量比为(10-30):1;3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液摩尔浓度为0.5-3.0mol/L;
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取钌卤化物和稀土金属氯化物溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和改性蒙脱石转移到水热釜中,水热一段时间,冷却后抽滤,干燥,在保护氛围下焙烧,得到改性蒙脱石负载钌基催化剂。
基于上述技术方案,优选的,步骤(1)中所述的干燥温度为60-120℃,干燥时间为5-12h。
基于上述技术方案,优选的,步骤(2)所述的水热温度为100-180℃,水热时间为5-12h;干燥温度为60-100℃,干燥时间为8-12h;焙烧温度为400-450℃,焙烧时间为2-4h,升温速率为1-3℃/min;保护氛围是氩气、氮气或氦气中的一种。
本发明还提供了上述的改性蒙脱石负载钌基催化剂在甲烷与二氧化碳直接合成乙酸中的应用,其具体步骤如下:将催化剂装入反应管,然后在氮气条件下升温至反应温度,通入原料气体,进行催化反应。
基于上述技术方案,优选的,所述的原料气CH4与CO2的体积比为1:(1-5),体积空速为1200-2400h-1,在氮气条件以2-5℃·min-1的速率升温至反应温度,反应温度为300-350℃。
本发明的有益效果:
(1)本发明利用3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪对蒙脱石进行了改性,能有效锚定活性组分,防止其团聚,提升催化性能。
(2)本发明的催化剂能用于甲烷与二氧化碳直接合成乙酸,具有高活性。
(3)本发明制备方法简单,便于放大。
具体实施方式
以下用实施例对本发明作更详细的描述,应当理解的是,这些实施例仅用于说明和解释本发明,并不对本发明的保护范围有任何限制。
实施例1
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g钠型蒙脱石加入到50g0.5mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在40℃条件下搅拌12h,然后离心,60℃干燥12h,得到改性钠型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.100gRuCl3和0.005g的LaCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性钠型蒙脱石倒入水热釜中,在100℃条件下水热12h,冷却后抽滤,60℃干燥12h,在氮气氛围下以1℃/min的升温速率升到400℃焙烧2h,得到10.0%RuCl3-0.5%LaCl3/Na-MMT催化剂。
实施例2
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g钙型蒙脱石加入到100g 1.0mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在60℃条件下搅拌8h,然后离心,80℃干燥10h,得到改性钙型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.100gRuBr3和0.005gCeCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性钙型蒙脱石倒入水热釜中,在130℃条件下水热8h,冷却后抽滤,70℃干燥10h,在氦气氛围下以2℃/min升到410℃焙烧3h,得到10.0%RuBr3-0.5%CeCl3/Ca-MMT催化剂。
实施例3
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g镁型蒙脱石加入到150g 2.0mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在80℃条件下搅拌6h,然后离心,100℃干燥8h,得到改性镁型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.100gRuI3和0.005gPrCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性镁型蒙脱石倒入水热釜中,在180℃条件下水热5h,冷却后抽滤,80℃干燥8h,在氩气氛围下以3℃/min升到420℃焙烧4h,得到10.0%RuI3-0.5%PrCl3/Mg-MMT催化剂。
实施例4
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g钠型蒙脱石加入到150g 3.0mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在80℃条件下搅拌5h,然后离心,120℃干燥5h,得到改性钠型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.100gRuCl3和0.005gLaCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性钠型蒙脱石倒入水热釜中,在150℃条件下水热5h,冷却后抽滤,90℃干燥8h,在氩气氛围下以2℃/min升到430℃焙烧4h,得到10.0%RuCl3-0.5%LaCl3/Na-MMT催化剂。
实施例5
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g钠型蒙脱石加入到100g 2.0mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在80℃条件下搅拌5h,然后离心,120℃干燥5h,得到改性钠型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.200gRuCl3和0.020gLaCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性钠型蒙脱石倒入水热釜中,在180℃条件下水热5h,冷却后抽滤,100℃干燥8h,在氩气氛围下以2℃/min升到440℃焙烧4h,得到20.0%RuCl3-2.0%LaCl3/Na-MMT催化剂。
实施例6
(1)改性蒙脱石的制备:
称取5.0g钠型蒙脱石加入到100g 2.0mol/L的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在80℃条件下搅拌5h,然后离心,120℃干燥5h,得到改性钠型蒙脱石。
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取0.250gRuCl3和0.030gLaCl3溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和1.0g改性钠型蒙脱石倒入水热釜中,在180℃条件下水热5h,冷却后抽滤,100℃干燥8h,在氩气氛围下以2℃/min升到450℃焙烧4h,得到25.0%RuCl3-3.0%LaCl3/Na-MMT催化剂。
以改性蒙脱石负载钌基催化剂催化甲烷与二氧化碳直接合成乙酸:
应用例1
称取实施例1中制备的0.1g10.0%RuCl3-0.5%LaCl3/Na-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以2℃/min-1的速率升温至反应温度300℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为1200h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:1。
应用例2
称取实施例2中制备的0.1g10.0%RuBr3-0.5%CeCl3/Ca-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以3℃/min-1的速率升温至反应温度300℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为1400h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:2。
应用例3
称取实施例3中制备的0.1g10.0%RuI3-0.5%PrCl3/Mg-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以4℃/min-1的速率升温至反应温度310℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为1800h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:3。
应用例4
称取实施例4中制备的0.1g10.0%RuCl3-0.5%LaCl3/Na-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以5℃/min-1的速率升温至反应温度320℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为2000h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:4。
应用例5
称取实施例5中制备的0.1g20.0%RuCl3-2.0%LaCl3/Na-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以5℃/min-1的速率升温至反应温度340℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为2400h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:5。
应用例6
称取实施例6中制备的0.1g25.0%RuCl3-3.0%LaCl3/Na-MMT催化剂装入石英反应管,催化剂上下用石英棉装填,然后在氮气条件下以5℃/min-1的速率升温至反应温度350℃,甲烷和二氧化碳的体积空速为1800h-1,原料气CH4:CO2体积比为1:1。
测试本发明提供的改性蒙脱石负载钌基催化剂催化甲烷与二氧化碳直接合成乙酸的催化性能如表1所示。
表1不同催化剂用于甲烷与二氧化碳合成乙酸催化性能
选择性/% | <![CDATA[乙酸生成速率/(μmol·g<sup>-1</sup>·h<sup>-1</sup>)]]> | |
应用例1 | 92.3 | 377.22 |
应用例2 | 88.2 | 276.47 |
应用例3 | 85.7 | 274.86 |
应用例4 | 94.2 | 386.52 |
应用例5 | 96.4 | 418.56 |
应用例6 | 97.9 | 443.71 |
Claims (8)
1.一种改性蒙脱石负载钌基催化剂,其特征在于,以3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪改性的蒙脱石为载体,钌卤化物为主要活性组分,稀土金属氯化物为助活性组分;其中稀土金属氯化物为LaCl3、CeCl3或PrCl3中的一种;钌卤化物的负载质量占载体质量的10-25%,稀土金属氯化物的负载质量占载体质量的0.5-3.0%。
2.根据权利要求1所述的改性蒙脱石负载钌基催化剂,其特征在于,所述的蒙脱石为钠型蒙脱石、钙型蒙脱石或镁型蒙脱石中的一种;钌卤化物为RuCl3、RuI3或RuBr3中的一种。
3.一种制备如权利要求1所述的改性蒙脱石负载钌基催化剂的方法,其具体步骤如下:
(1)改性蒙脱石的制备:
将蒙脱石加入到3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液中,在40-80℃条件下搅拌5-12h,然后离心,干燥,得到改性蒙脱石;所述的3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液和蒙脱石的质量比为(10-30):1;3,6-二(2-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪溶液摩尔浓度为0.5-3.0mol/L;
(2)改性蒙脱石负载钌基催化剂的制备:
称取钌卤化物和稀土金属氯化物溶于乙醇中,超声搅拌至溶液澄清,形成乙醇溶液,然后将乙醇溶液和改性蒙脱石转移到水热釜中,水热一段时间,冷却后抽滤,干燥,在保护氛围下焙烧,得到改性蒙脱石负载钌基催化剂。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中所述的干燥温度为60-120℃,干燥时间为5-12h。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)中的水热温度为100-180℃,水热时间为5-12h;干燥温度为60-100℃,干燥时间为8-12h;焙烧温度为400-450℃,焙烧时间为2-4h,升温速率为1-3℃/min;保护氛围是氩气、氮气或氦气中的一种。
6.一种如权利要求1所述的改性蒙脱石负载钌基催化剂在甲烷与二氧化碳直接合成乙酸中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,催化反应在固定床反应器中进行,首先将催化剂装入反应管,然后在氮气条件下升温至反应温度,通入原料气体,进行催化反应。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,原料气CH4与CO2的体积比为1:(1-5);体积空速为1200-2400h-1;在氮气条件下以2-5℃/min-1的速率升温至反应温度,反应温度为300-350℃。
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