CN117299184B - 氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法及其应用 - Google Patents
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-
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Abstract
本发明公开了一种氮掺杂Al‑MOFs@MAl‑LDHs衍生复合氧化物的制备方法及其应用，制备方法以孔隙结构发达的Al‑MOFs为载体，在其表面原位生长铝基类水滑石（MAl‑LDHs），借助酰胺溶剂对层板剥离的作用，减弱层板的堆叠效应，提高了水滑石层板的分散性和活性位点的可及性；然后借助高温焙烧过程，将体相中的含氮物种转化为结构碱基，提高了催化剂碱性中心的数量及稳定性。当将其用于工业气源COS水解时，该催化剂展现了较高的水解转化率和良好的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于工业气体净化技术领域，具体为一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法及应用。
背景技术
羰基硫(COS)是一种无色无味的有毒可燃气体，广泛存在于钢铁冶炼、天然气化工、石油化工和煤化工产生的工业气体中，是有机硫的典型代表。在工业生产过程中，COS的存在会造成管道、设备、仪表的腐蚀损耗及后续生产工序中催化剂的中毒失活；未经有效处理排放的COS不仅会对大气环境造成严重的影响，还会危害人体健康。COS由于其化学性质稳定、酸性弱和反应活性低，较难脱除。目前常用的COS处理方法有还原法、吸收法、吸附法、氧化法和水解法等。其中，水解法（COS+H2O→H2S+CO2）因为反应条件温和、COS转化效率高、副反应少且水解产物H2S比COS更易脱除等优点，被认为是一种具有广泛工业应用前景的COS脱除技术。
COS水解反应为碱催化反应且其活性中心为弱和中强碱性位，催化剂的碱性很大程度上决定了催化剂的活性，因此采用适当的碱修饰方法可以增加催化剂的碱性位，提高催化剂的活性和稳定性。目前常用的COS水解剂一般以Al2O3为载体，通过碱金属、碱土金属、过渡金属改性，使催化剂表面负载碱性活性中心从而促进COS的水解转化。然而，Al2O3基水解剂在使用过程中，由于碱性活性中心的分布不均且易于流失，导致了Al2O3基水解剂出现了催化活性降低和使用寿命缩短的问题，严重限制了Al2O3基水解剂的实际应用。因此，开发一种新型碱改性方法，对于获得高效长效的Al2O3基水解剂及促进COS水解技术的发展起着至关重要的作用。
与传统金属负载型的碱改性方法相比，具有结构碱基位点的催化剂在碱催化反应中表现出了优异的稳定性。前期的研究发现，引入氮（N）原子，可以增加催化剂的碱性位点。将碱性N通过共价键锚定在载体上形成化学键合的碱性中心，可以克服传统负载型催化剂碱性组分流失的难题，提高催化剂的稳定性。因此，合理地构建N掺杂的材料有望发展出高效长效的COS水解催化剂。
近几十年来，金属-有机框架材料(MOFs)由于具有独特有序的结构、大的比表面积、优异的热稳定性和化学稳定性等优点，在催化、储气、分离、药物输送、传感等领域展现出了广泛的应用前景。以MOFs为模板制备的材料可以较大程度上保持MOFs的形貌，维持MOFs较大的比表面积，从而可以暴露更多的活性位点。
与传统块体材料相比，类水滑石（Layered Double Hydroxides，LDHs）及其衍生复合金属氧化物因为具有层间离子可交换性、结构记忆效应、碱性这些特性，被广泛用于NOx、HCl、SO2、CO2等有害酸性气体的脱除。然而，传统共沉淀法制备的类水滑石及其衍生复合金属氧化物由于层板堆叠降低了活性位点的可及性，导致其催化反应活性不高，限制了其应用。
本发明以孔隙结构发达的Al-MOFs为载体，在其表面原位生长铝基类水滑石（MAl-LDHs），借助酰胺溶剂对层板剥离的作用，减弱层板的堆叠效应，提高了水滑石层板的分散性和活性位点的可及性；然后借助高温焙烧过程，将体相中的含氮物种转化为结构碱基，提高了催化剂碱性中心的数量及稳定性。当将其用于工业气源COS水解时，该催化剂展现了较高的水解转化率和良好的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，当将该材料用于工业气体中羰基硫的催化剂水解时，有效地解决了目前常规氧化铝基水解剂存在的碱性活性位点易流失，使用寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，包括下述步骤：
（1）将铝盐溶于去离子水中得到0.5M的溶液A，超声并磁力搅拌均匀后备用；然后将2-氨基对苯二甲酸分散于异丙醇（IPA）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶剂1中，超声并磁力搅拌均匀后得到溶液B；最后将溶液A逐滴加入到溶液B中，超声并磁力搅拌均匀后得到混合溶液C；
（2）将混合溶液C置于100mL的高压反应釜中，进行水热反应，反应结束自然冷却至室温后，将离心得到的产物分别用乙醇和去离子水依次洗涤3~4次，最后在真空干燥箱中烘干，即可得到Al-MOFs粉末；
（3）将Al-MOFs粉末分散于醇胺和甲醇的混合溶剂2中，经过超声和磁力搅拌后，得到溶液D；将二价金属盐M(II)和结构导向剂分散于DMF和甲醇的混合溶剂3中，超声混合均匀后得到溶液E；
（4）将溶液E滴加到溶液D中得到溶液F，边滴加边搅拌，超声处理后，置于水热反应釜中，进行水热反应，反应结束后离心分离出固体，将固体洗涤真空干燥后得到Al-MOFs@MAl-LDHs粉末；
（5）将干燥后的产物Al-MOFs@MAl-LDHs转移到管式炉中，焙烧得到氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物。
其中，步骤（1）中，溶液A和溶液B的体积之和为70mL，溶液A与混合溶剂1的体积比为1：（1~5），混合溶剂1中2-氨基对苯二甲酸、IPA和DMF的体积比为（2~4）：1：（0.5~5）。
其中，步骤（2）中，所述水热反应温度为100℃~200℃，反应时间为4h~10h。
其中，步骤（3）中，所述醇胺为乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、和二异丙醇胺中的一种或几种；所述二价金属盐M(II)为镁、锌、镍的硝酸盐、氯化盐和乙酸盐；所述结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸二钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
其中，步骤（3）中，每10mL混合溶剂2中分散0.1～2g Al-MOFs粉末，混合溶剂2中甲醇和醇胺的体积比为1：（0.5~4）；所述结构导向剂和二价金属盐M(II)的质量比为1：（5~30）；所述二价金属盐M(II)和结构导向剂的质量之和与混合溶剂3的体积比为(0.5～3)g：10mL，混合溶剂3中甲醇和DMF的体积比为1：（1~4）。Al-MOFs粉末与二价金属盐M(II)的质量比为（0.3~1）:1。
其中，步骤（4）中，所述水热反应温度为80～160°C，反应时间为4h~12h。
其中，步骤（5）中，所述焙烧的气氛为氮气，焙烧温度为300～700℃，焙烧时间为2～7h。
其中，步骤（1）~步骤（4）中，超声和磁力搅拌的时间为15min~40min；磁力搅拌的转速为150r/min~450r/min；在步骤（2）和步骤（4）中，所述干燥温度为60℃~100℃，干燥时间为5h~24h。
上述氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物作为催化剂，在宽温窗下将含羰基硫的工业气体中的羰基硫气体催化水解成硫化氢的应用。
其中，所述含羰基硫的工业气体为钢铁冶炼中产生的高炉煤气或天然气化工、石油化工和煤化工产生的工业废气；所述含羰基硫的工业气体中羰基硫气体的体积百分浓度为0.1~5000ppm，水解反应条件为：反应温度为25~160℃，反应压力为常压~0.3Mpa。
有益效果：本发明技术方案与现有技术相比，具备以下有益效果：
1.本发明以MOFs为载体，制备的MOFs@LDHs结构使得该催化剂具有发达的孔隙结构，有效避免了产物硫沉积造成的孔隙堵塞的发生。
2.本发明LDHs在MOFs上的原位生长过程中，借助酰胺溶剂对层板剥离的作用，减弱层板的堆叠效应，暴露了更多的活性位点，提高了催化剂COS水解活性。
3.本发明氮掺杂既增加了催化剂表面碱性中心的种类和数量，也减少了表面氧物种的含量，提高了催化剂的COS水解活性。
4.本发明通过共价键锚定将碱性N原子固载在材料表面形成的化学键合的碱性中心，解决了传统氧化铝基水解催化剂存在的碱性组分易流失的问题，提高了催化剂的稳定性，且延长了其使用寿命。
附图说明
图1本发明不同实施例和对比例得到的催化剂上COS水解转化率和脱除率随时间的变化曲线图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为市售的常规试剂产品。
催化剂活性评价方法：采用固定床反应器测试催化剂的水解活性，反应器的温度由立式管式炉精确控制；原料气中COS体积浓度为0.1~5000ppm，4%水蒸气，N2为平衡气；在测试高炉煤气中COS的水解时，模拟气的组成及体积浓度分别为：26%CO，16%CO2，15~120ppmCOS，0-60ppmH2S，N2为平衡气。水解反应温度为25~160℃，反应压力为常压~0.3Mpa，空速为500~10000h-1。利用岛津公司的气相色谱仪GC 2010Plus检测反应前后煤气中COS和H2S的含量，观察催化剂水解性能随时间的变化。具体评价指标COS水解转化率η（%）和COS脱除率R（%）的计算公式如下：
；
其中：Cin：COS的进口浓度（mg/m3）；
Cout：COS的出口浓度（mg/m3）；
：H2S的进口浓度（mg/m3）；
：H2S出口浓度（mg/m3）；
实施例1
本实施例提供一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，包括下述步骤：
（1）取35ml 0.5M的硝酸铝水溶液A，将10ml的2-氨基对苯二甲酸分散于20.8mlDMF和4.2ml IPA的混合溶剂1中，在搅拌速度200r/min，35°C下超声并磁力搅拌10min后得到溶液B；将溶液A逐滴加入到溶液B中，继续超声并磁力搅拌15min后得到混合溶液C。
（2）将混合溶液C置于100mL的高压反应釜中，160℃下水热反应6h，反应结束自然冷却至室温后，离心后将得到的产物分别用乙醇和去离子水依次洗涤3~4次，最后在真空干燥箱中70℃下干燥8h，得到Al-MOFs粉末；
（3）称取4g Al-MOFs粉末，将其分散于20ml DEA和20ml甲醇的混合溶剂2中，在搅拌速度200r/min，35°C下超声并磁力搅拌10min后得到溶液D；称取6g硝酸镁和0.2g PVP分散于15ml DMF和5ml甲醇的混合溶剂3中，在同样的超声搅拌条件下混合15min后得到溶液E。
（4）将溶液E滴加到溶液D中得到溶液F，边滴加边搅拌，超声搅拌15min后，置于水热反应釜中，于160℃下水热反应4h，反应结束后离心分离出固体，将固体洗涤后，在真空干燥箱中70℃下干燥8h后得到Al-MOFs@MgAl-LDHs粉末；
（5）将Al-MOFs@MAl-LDHs置于管式炉中，在氮气气氛下，450℃焙烧3h，最终得到氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物。
催化剂活性测试条件为：采用固定床反应器测试催化剂的水解活性，反应器的温度由立式管式炉精确控制；原料气中COS体积浓度为200ppm，4%水蒸气，N2为平衡气；水解反应温度为90℃，常压反应，空速为8000h-1。利用气相色谱仪GC 2010Plus检测反应前后煤气中COS和H2S的含量，连续监测24小时，发现COS水解转化率和脱除率均保持在95%以上。
实施例2
本实施例提供一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，包括下述步骤：
（1）取20ml 0.5M的硝酸铝水溶液A，将12.5ml的2-氨基对苯二甲酸分散于31.3mlDMF和6.3ml IPA的混合溶剂1中，在搅拌速度450r/min，45°C下超声并磁力搅拌15min后得到溶液B；将溶液A逐滴加入到溶液B中，继续超声并磁力搅拌10min后得到混合溶液C。
（2）将混合溶液C置于100mL的高压反应釜中，100℃下水热反应10h，反应结束自然冷却至室温后，离心后将得到的产物分别用乙醇和去离子水依次洗涤3~4次，最后在真空干燥箱中100℃下干燥5h，得到Al-MOFs粉末；
（3）称取0.45g Al-MOFs粉末，将其分散于15ml DIPA和30ml甲醇的混合溶剂2中，在搅拌速度300r/min，45°C下超声并磁力搅拌15min后得到溶液D；称取1.5g氯化锌和0.5gEDTA分散于10ml DMF和10ml甲醇的混合溶剂3中，在同样的超声搅拌条件下混合15min后得到溶液E。
（4）将溶液E滴加到溶液D中得到溶液F，边滴加边搅拌，超声搅拌15min后，置于水热反应釜中，于120℃下水热反应8h，反应结束后离心分离出固体，将固体洗涤后，在真空干燥箱中90℃下干燥5h后得到Al-MOFs@MgAl-LDHs粉末；
（5）将Al-MOFs@MAl-LDHs置于管式炉中，在氮气气氛下，300℃焙烧7h，最终得到氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物。
催化剂活性测试条件为：采用固定床反应器测试催化剂的水解活性，反应器的温度由立式管式炉精确控制；原料气中COS体积浓度为500ppm，4%水蒸气，N2为平衡气；水解反应温度为110℃，常压反应，空速为10000h-1。利用气相色谱仪GC 2010Plus检测反应前后煤气中COS和H2S的含量，连续监测24小时，发现COS水解转化率和脱除率均保持在90%以上。
实施例3
本实施例提供一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，包括下述步骤：
（1）取15ml 0.5M的硝酸铝水溶液A，将54.5ml的2-氨基对苯二甲酸分散于6.8mlDMF和13.6ml IPA的混合溶剂1中，在搅拌速度150r/min，25°C下超声并磁力搅拌40min后得到溶液B；将溶液A逐滴加入到溶液B中，继续超声并磁力搅拌15min后得到混合溶液C。
（2）将混合溶液C置于100mL的高压反应釜中，200℃下水热反应4h，反应结束自然冷却至室温后，离心后将得到的产物分别用乙醇和去离子水依次洗涤3~4次，最后在真空干燥箱中60℃下干燥10h，得到Al-MOFs粉末；
（3）称取20g Al-MOFs粉末，将其分散于80ml MDEA和20ml甲醇的混合溶剂2中，在搅拌速度150r/min，25°C下超声并磁力搅拌15min后得到溶液D；称取20g乙酸镍和0.5g PVP分散于40ml DMF和10ml甲醇的混合溶剂3中，在同样的超声搅拌条件下混合10min后得到溶液E。
（4）将溶液E滴加到溶液D中得到溶液F，边滴加边搅拌，超声搅拌10min后，置于水热反应釜中，于160℃下水热反应4h，反应结束后离心分离出固体，将固体洗涤后，在真空干燥箱中60℃下干燥24h后得到Al-MOFs@MgAl-LDHs粉末；
（5）将Al-MOFs@MAl-LDHs置于管式炉中，在氮气气氛下，700℃焙烧2h，最终得到氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物。
催化剂活性测试条件为：采用固定床反应器测试催化剂的水解活性，反应器的温度由立式管式炉精确控制；模拟高炉煤气的组成，其中各成分的体积浓度分别为：26% CO，16% CO2，100ppm COS，20ppm H2S，N2为平衡气。水解反应温度为100℃，反应压力为0.22Mpa，空速为1000h-1。利用气相色谱仪GC 2010Plus检测反应前后煤气中COS和H2S的含量，连续监测24小时，发现COS水解转化率和脱除率均保持在98%以上。
对比例1
作为实施例1的对比例，与实施例1的差别之处在于，在步骤1中不使用2-氨基对苯二甲酸，且混合溶剂1中IPA的用量为15ml，其余步骤相同。
催化剂活性测试条件与实施例1相同，由24小时连续监测数据发现该催化剂上前期COS水解转化率和COS脱除率均可达到95%左右，但随着时间延长至13小时，两者均开始出现衰减，24小时结束时COS水解转化率和脱除率已分别降至79和86%。说明随着水解反应的进行，催化剂上开始出现硫沉积，即催化剂开始被含硫物种毒化。与实施例1的数据对比发现，不使用2-氨基对苯二甲酸合成MOFs结构做载体时，催化剂表面更易发生硫沉积，且更容易硫中毒失活。
对比例2
作为实施例2的对比例，与实施例2的差别之处在于，在步骤3中不使用醇胺，且将混合溶剂2中甲醇的用量调整为50ml，其余步骤相同。
催化剂活性测试条件与实施例2相同，由24小时连续监测数据发现该催化剂上前期COS水解转化率和COS脱除率为84%左右，但随着时间延长至17小时，两者均开始出现衰减，24小时结束时COS水解转化率和脱除率已分别降至75%和73%。与实施例2的数据对比发现，在不使用醇胺的情况下，由于在MOFs表面无法原位生成LDHs的片层结构，间接导致了催化剂水解活性的降低。
对比例3
作为实施例3的对比例，与实施例3的差别之处在于，在步骤1中将20ml的2-氨基对苯二甲酸替换成20ml对苯二甲酸，混合溶剂1中不使用DMF，且将IPA的用量调整为35ml；在步骤3中，不使用醇胺和DMF，且将混合溶剂2中甲醇的用量调整为50ml，混合溶剂3中甲醇的用量调整为20ml。其余步骤相同。
催化剂活性测试条件与实施例3相同，由24小时连续监测数据发现该催化剂上前期COS水解转化率和COS脱除率可维持在90%左右，但随着时间延长至20小时，两者均开始出现缓慢下降，24小时结束时COS水解转化率和脱除率已分别降至86%和82%。说明随着水解反应的进行，催化剂开始逐渐被硫物种毒化而失活。与实施例3的数据对比发现，在催化剂的制备过程中不使用含氮物种，导致催化剂表面无法获得具有碱性活性中心的结构碱基，从而降低了其水解活性和抗硫中毒性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用于限制本发明，对于本领域的技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所延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 (9)
1.一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）将铝盐溶于去离子水中得到0.5M的溶液A，超声并磁力搅拌均匀后备用；然后将2-氨基对苯二甲酸分散于异丙醇和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂1中，超声并磁力搅拌均匀后得到溶液B；最后将溶液A逐滴加入到溶液B中，超声并磁力搅拌均匀后得到混合溶液C；
（2）将混合溶液C置于100mL的高压反应釜中，进行水热反应，反应结束自然冷却至室温后，将离心得到的产物分别用乙醇和去离子水依次洗涤3~4次，最后在真空干燥箱中烘干，即可得到Al-MOFs粉末；
（3）将Al-MOFs粉末分散于醇胺和甲醇的混合溶剂2中，经过超声和磁力搅拌后，得到溶液D；将二价金属盐M(II)和结构导向剂分散于DMF和甲醇的混合溶剂3中，超声混合均匀后得到溶液E；
（4）将溶液E滴加到溶液D中得到溶液F，边滴加边搅拌，超声处理后，置于水热反应釜中，进行水热反应，反应结束后离心分离出固体，将固体洗涤真空干燥后得到Al-MOFs@MAl-LDHs粉末；
（5）将干燥后的产物Al-MOFs@MAl-LDHs转移到管式炉中，焙烧得到氮掺杂的Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，溶液A和溶液B的体积之和为70mL，溶液A与混合溶剂1的体积比为1：（1~5），混合溶剂1中2-氨基对苯二甲酸、IPA和DMF的体积比为（2~4）：1：（0.5~5）。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述水热反应温度为100℃~200℃，反应时间为4h~10h。
4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述醇胺为乙醇胺、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、和二异丙醇胺中的一种或几种；所述二价金属盐M(II)为镁、锌、镍的硝酸盐、氯化盐和乙酸盐；所述结构导向剂为聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸二钠和十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，每10mL混合溶剂2中分散0.1～2g Al-MOFs粉末，混合溶剂2中甲醇和醇胺的体积比为1：（0.5~4）；所述结构导向剂和二价金属盐M(II)的质量比为1：（5~30）；所述二价金属盐M(II)和结构导向剂的质量之和与混合溶剂3的体积比为（0.5～3）g：10mL，混合溶剂3中甲醇和DMF的体积比为1：（1~4），所述Al-MOFs粉末与二价金属盐M(II)的质量比为（0.3～1）：1。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述水热反应温度为80～160°C，反应时间为4h~12h。
7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，所述焙烧的气氛为氮气，焙烧温度为300～700℃，焙烧时间为2～7h。
8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物的制备方法，其特征在于：步骤（1）~步骤（4）中，超声和磁力搅拌的时间为15min~40min；磁力搅拌的转速为150r/min~450r/min；在步骤（2）和步骤（4）中，真空干燥的温度为60℃~100℃，干燥时间为5h~24h。
9.权利要求1-8任一项的制备方法制成的氮掺杂Al-MOFs@MAl-LDHs衍生复合氧化物作为催化剂，在宽温窗下将含羰基硫的工业气体中的羰基硫气体催化水解成硫化氢的应用；
所述含羰基硫的工业气体为钢铁冶炼中产生的高炉煤气或天然气化工、石油化工和煤化工产生的工业废气；所述含羰基硫的工业气体中羰基硫气体的体积百分浓度为0.1~5000ppm，水解反应条件为：反应温度为25~160℃，反应压力为常压~0.3Mpa。
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Citations (8)
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