RU2036718C1 - Porous carbonic material - Google Patents

Porous carbonic material Download PDF

Info

Publication number
RU2036718C1
RU2036718C1 SU5015373/26A SU5015373A RU2036718C1 RU 2036718 C1 RU2036718 C1 RU 2036718C1 SU 5015373/26 A SU5015373/26 A SU 5015373/26A SU 5015373 A SU5015373 A SU 5015373A RU 2036718 C1 RU2036718 C1 RU 2036718C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon
catalyst
fibers
diameter
porous
Prior art date
Application number
SU5015373/26A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.А. Семиколенов
Л.Б. Авдеева
В.И. Зайковский
В.Б. Фенелонов
Г.В. Плаксин
С.П. Лавренко
О.И. Гончарова
Original Assignee
Институт катализа СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт катализа СО РАН filed Critical Институт катализа СО РАН
Priority to SU5015373/26A priority Critical patent/RU2036718C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2036718C1 publication Critical patent/RU2036718C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: production of catalysts. SUBSTANCE: porous carbonic material is three-dimensional matrix formed by bent layer of carbon in form of fibers 10-150 nm in diameter with length-to-diameter ratio of 160-2500 and randomly bound into granules. Fibers consists of packed into one another packages of graphitic carbon of conical shape with cone opening of 60-180 deg., interplane distance d 002 of 0.340-0.350 nm, X-ray density of 2.17-2.24 g/cu. cm, and real density of 2.05-2.17 g/cu.cm. EFFECT: higher efficiency. 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к пористым углеродным материалам, точнее к углеродным носителям для катализаторов и адсорбентам. The invention relates to porous carbon materials, more specifically to carbon carriers for catalysts and adsorbents.

Наиболее близким техническим решением по достигаемому эффекту является пористый углеродный материал (прототип). По прототипу пористый углеродный материал представляет собой матрицу, образованную изогнутыми слоями углерода толщиной 10-1000 нм, радиусом кривизны 10-1000 нм, истинной плотностью 1,8-2,1 г/см3 и распределением пор по размерам с максимумом в области 20-200 нм и дополнительным максимумом 4-20 нм. Пористый углеродный материал по прототипу готовят осаждением на поверхность сажи пироуглерода, образующегося при разложении газообразных углеводородов при темпера- туре 750-1200оС с последующей активацией полученного углеродного материала паровоздушной смесью. Адсорбционная поверхность этого материала образована преимущественно слоями sp2-гибридизованного углерода, т.е. базальными гранями микрокристаллитов графита (фиг. 1).The closest technical solution for the achieved effect is a porous carbon material (prototype). According to the prototype, the porous carbon material is a matrix formed by curved carbon layers with a thickness of 10-1000 nm, a radius of curvature of 10-1000 nm, a true density of 1.8-2.1 g / cm 3 and a pore size distribution with a maximum in the region of 20 200 nm and an additional maximum of 4-20 nm. The porous carbon material according to the prototype is prepared by the deposition of pyrocarbon on the soot surface, which is formed by the decomposition of gaseous hydrocarbons at a temperature of 750-1200 о С, followed by activation of the obtained carbon material with a steam-air mixture. The adsorption surface of this material is mainly formed by layers of sp 2 -hybridized carbon, i.e. basal faces of graphite microcrystallites (Fig. 1).

Недостатками рассматриваемого технического решения являются низкие эксплуатационные характеристики, обуслов- ленные рельефом поверхности углеродного материала. В частности, невысокая устойчивость катализаторов, приготовленных на этом носителе, к дезактивации в условиях процесса жидкофазного восстановления и спекание нанесенного металла при повышенной температуре. The disadvantages of the considered technical solution are low operational characteristics due to the surface relief of the carbon material. In particular, the low resistance of the catalysts prepared on this support to deactivation under the conditions of a liquid phase reduction process and sintering of the deposited metal at elevated temperature.

Цель изобретения создание пористого углеродного материала с высокими эксплуатационными характеристиками. The purpose of the invention is the creation of a porous carbon material with high performance.

Поставленная цель достигается тем, что пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную изогнутыми слоями углерода в форме волокон, имеющих толщину 10-150 нм, отношение длины к толщине 160-2500 и переплетенных случайным образом в гранулы. Волокна состоят из упакованных друг в друга пакетов графитоподобного углерода конической формы с углом раствора 60-180о, межплоскостным расстоянием d002 0,340-0,350 нм, рентгеновской плотностью 2,17-2,24 г/см3 и истинной плотностью 2,05-2,17 г/см3.The goal is achieved in that the porous carbon material is a three-dimensional matrix formed by curved carbon layers in the form of fibers having a thickness of 10-150 nm, a length to thickness ratio of 160-2500 and randomly bound into granules. The fibers consist of packed into each other packets carbon graphite conical shape with an angle of about 60-180 solution, interplanar spacing d 002 0,340-0,350 nm, x-ray density of 2.17-2.24 g / cm 3 and a true density of 2,05-2 , 17 g / cm 3 .

Изобретение поясняется фиг. 1-4. The invention is illustrated in FIG. 1-4.

По данным сканирующей электронной микроскопии пористый углеродный материал представляет собой трехмерную матрицу, образованную изогнутыми слоями углерода в форме волокон, переплетенных случайным образом в гранулы (фиг. 2). Размер этих гранул определяется размером частиц катализатора, на поверхности которого осуществляется разложение углеводо- родного сырья, а также степенью размола получаемого углеродного материала и может составлять 0,01-10 мм (предпочтительно 2-3 мм). По данным просвечивающей электронной микроскопии волокна имеют толщину 10-150 нм и отношение длины к толщине 160-2500 (фиг. 3). Углеродные волокна вырастают на активных центрах катализатора и в ходе разложения углеводородного сырья переплетаются случайным образом, создавая каркас изделия (гранулу носителя) пористую углеродную матрицу. According to scanning electron microscopy, the porous carbon material is a three-dimensional matrix formed by curved carbon layers in the form of fibers, randomly bound into granules (Fig. 2). The size of these granules is determined by the particle size of the catalyst, on the surface of which decomposition of the hydrocarbon feedstock is carried out, as well as by the degree of grinding of the resulting carbon material and may be 0.01-10 mm (preferably 2-3 mm). According to transmission electron microscopy, the fibers have a thickness of 10-150 nm and a length to thickness ratio of 160-2500 (Fig. 3). Carbon fibers grow at the active sites of the catalyst and randomly intertwine during the decomposition of hydrocarbon materials, creating a product framework (carrier granule) in a porous carbon matrix.

Волокна с диаметром 10-150 нм при отношении длины к диаметру 160-2500 создают оптимальную для катализатора мезопористую структуру с размером пор 12-20 нм и удельной поверхностью переходных пор 85-135 м2/г.Fibers with a diameter of 10-150 nm with a length to diameter ratio of 160-2500 create an optimal mesoporous structure for the catalyst with a pore size of 12-20 nm and a specific transition pore surface of 85-135 m 2 / g.

По данным электронной микроскопии высокого разрешения волокна состоят из упакованных друг в друга пакетов графитоподобного углерода конической формы с углом раствора 60-180о (фиг. 4). Эти пакеты представляют собой изогнутые базальные слои графитоподобного углерода. На поверхность углеродных волокон выходят торцы базальных слоев углерода.According HREM fibers consist of packed into each other packets carbon graphite conical shape with an angle of 60-180 of the solution (FIG. 4). These packets are curved basal layers of graphite-like carbon. The ends of the basal layers of carbon extend onto the surface of the carbon fibers.

По данным рентгенофазового анализа и адсорбционных методов пористый углеродный материал имеет рентгеновскую плотность 2,17-2,24 г/см3, истинную плотность 2,05-2,17 г/см3, средний размер пор 12-20 нм, объем пор 0,27-0,32 см3/г и удельную поверхность переходных пор 85-135 м2/г.According to x-ray phase analysis and adsorption methods, the porous carbon material has an x-ray density of 2.17-2.24 g / cm 3 , a true density of 2.05-2.17 g / cm 3 , an average pore size of 12-20 nm, pore volume 0 , 27-0.32 cm 3 / g and the specific surface of the transition pores 85-135 m 2 / g.

Волокна, образованные упакованными друг в друга пакетами графитоподобного углерода конической формы с углом раствора 60-180о, рентгеновской плотностью 2,17-2,24 г/см3, межплоскостным расстоянием d002 0,340-0,350 нм и истинной плотностью 2,05-2,17 г/см3 имеют уникальный рельеф поверхности, обеспечивающий повышение стабильности нанесенных частиц палладия к дезактивации в условиях процесса жидкофазного восстановления и к спеканию при повышенной температуре.Fibers formed packed into each other packets carbon graphite conical shape with an angle of about 60-180, X-ray density of 2.17-2.24 g / cm 3, an interplanar distance d 002 0,340-0,350 nm, and the true density of 2,05-2 , 17 g / cm 3 have a unique surface relief, which provides increased stability of the deposited palladium particles to deactivation under the conditions of a liquid-phase reduction and to sintering at elevated temperature.

П р и м е р 1 (прототип). В кварцевый реактор с внутренним диаметром 90 мм загружают 100 г сажи с преимущественным размером частиц 20 нм, реактор приводится во вращение с угловой скоростью 2 π рад/мин. Внешним электронагревателем реактор с сажей разогревают до 900оС и в слой непрерывно перемешиваемой сажи подают 176 л/ч пропан-бутановой смеси с содержанием бутана 50% После обработки сажи в течение 5 ч вместо пропан-бутана подают водяной пар с удельным расходом 1 кг/кг углерода в течение 6 ч. Полученный пористый углеродный материал образован изогнутыми слоями углерода с радиусом кривизны 10-1000 нм и имеет следующие физико-химические характеристики:
Суммарный объем пор, см3/г 0,81
Максимум распределе- ния пор по размерам, нм 5-48 Толщина слоя углерода, нм 20-100 Истинная плотность, г/см3 1,97
Рентгеновская плотность, г/см3 2,21
Приготовление катализатора: к суспензии 1 г углеродного носителя в 20 мл дистиллированной воды при 20оС добавляют 10 мл раствора, полученного нейтрализацией Н2PdCl4 карбонатом натрия (рН 7,0) и содержащего 0,01 г Pd (в пересчете на металлический палладий). После полного осаждения палладия на носитель образец промывают водой, сушат на воздухе и восстанавливают в токе водорода при 90оС. Получают катализатор с содержанием Pd 1 мас.
PRI me R 1 (prototype). 100 g of carbon black with a predominant particle size of 20 nm is loaded into a quartz reactor with an internal diameter of 90 mm, the reactor is rotated at an angular velocity of 2 π rad / min. With an external electric heater, the soot reactor is heated to 900 ° C and 176 l / h of a propane-butane mixture with a butane content of 50% are fed into the continuously mixed soot layer. After soot has been treated for 5 hours, instead of propane-butane, water vapor with a specific flow rate of 1 kg / kg of carbon for 6 hours. The resulting porous carbon material is formed by curved carbon layers with a radius of curvature of 10-1000 nm and has the following physicochemical characteristics:
The total pore volume, cm 3 / g 0,81
Maximum pore size distribution, nm 5-48 Carbon layer thickness, nm 20-100 True density, g / cm 3 1.97
X-ray density, g / cm 3 2.21
Catalyst Preparation: To a suspension of 1 g of carbon carrier in 20 ml of distilled water at 20 ° C was added 10 ml of a solution prepared by neutralization of H 2 PdCl 4 with sodium carbonate (pH 7.0) and containing 0.01 g of Pd (calculated as palladium metal ) After complete deposition of palladium on a carrier sample was washed with water, air dried and reduced in a stream of hydrogen at 90 ° C to give a catalyst with Pd content 1 wt.

Испытание катализатора. В проточный реактор загружают навеску катализатора (0,1 г), продувают азотом, нагревают до 120оС и через слой катализатора пропускают поток газовой смеси с мольным отношением водород:бензол 10: 1 с объемной скоростью 0,27 мл/с. Продукты реакции анализируют хроматографически. Активность свежего катализатора (Ао) характеризуют степенью превращения бензола.Catalyst test. A catalyst sample (0.1 g) was charged into a flow reactor, purged with nitrogen, heated to 120 ° C, and a stream of a gas mixture with a molar ratio of hydrogen: benzene of 10: 1 was passed through the catalyst bed at a volumetric rate of 0.27 ml / s. The reaction products are analyzed chromatographically. The activity of the fresh catalyst (A o ) is characterized by the degree of conversion of benzene.

Проверка устойчивости катализатора к дезактивации в условиях процесса жидкофазного восстановления: В стеклянный реактор загружают 0,5 г катализатора, добавляют 20 мл 1 М раствора NaCl, продувают азотом и водородом, нагревают до 90оС в атмосфере водорода в течение 1 ч. Затем катализатор промывают на фильтре дистиллированной водой и сушат на воздухе. После этой операции, моделирующей условия эксплуатации катализатора в процессе жидкофазного восстановления повторно определяют активность катализатора в гидрировании бензола. Активность таким образом обработанного катализатора характеризуют величиной А1. Устойчивость катализатора к дезактивации в условиях процесса жидкофазного восстановления (Yж) определяют по формуле
Yж 100% (Ао А1)/Ао. Для углеродного носителя по прототипу величина Yж составляет 48,8%
Проверка устойчивости катализатора к спеканию при повышенной температуре: в проточный реактор загружают 0,1 г свежего катализатора, продувают азотом и в токе водорода (0,3 мл/с) выдерживают при температуре 500оС в течение 1 ч. Затем реактор охлаждают и проводят испытания этого катализатора в гидрировании бензола. Активность обработанного таким образом катализатора характеризуют величиной (Ат). Устойчивость катализатора к спеканию при повышенной температуре характеризуют величиной Yt: Yt Atо. Для углеродного носителя по прототипу величина Yt составляет 0,30.
Testing the stability of the catalyst to deactivation under the conditions of a liquid phase reduction process: 0.5 g of catalyst is loaded into a glass reactor, 20 ml of a 1 M NaCl solution are added, purged with nitrogen and hydrogen, heated to 90 ° C in a hydrogen atmosphere for 1 hour. Then, the catalyst is washed on the filter with distilled water and air dried. After this operation, which simulates the operating conditions of the catalyst in the liquid phase reduction process, the activity of the catalyst in the hydrogenation of benzene is re-determined. The activity of the thus treated catalyst is characterized by A 1 . The resistance of the catalyst to deactivation in the process of liquid phase recovery (Y W ) is determined by the formula
Y W 100% (A about A 1 ) / A about . For the carbon carrier of the prototype, the value of Y W is 48.8%
Testing the stability of the catalyst against sintering at elevated temperature: flow reactor was charged with 0.1 g of fresh catalyst was purged with nitrogen and a hydrogen stream (0.3 ml / s) is kept at a temperature of 500 ° C for 1 hour and then cooled reactor is conducted. testing this catalyst in the hydrogenation of benzene. The activity of the catalyst thus treated is characterized by (A t ). The resistance of the catalyst to sintering at elevated temperature is characterized by the value of Y t : Y t A t / A about . For the carbon carrier of the prototype, the value of Y t is 0.30.

П р и м е р 2. В кварцевый реактор загружают 0,1 г катализатора, содержащего 57% Ni и 43% Al2O3, нагревают до температуры 550оС и через перемешиваемый слой катализатора пропускают газообразные углеводороды (метан) со скоростью 12 л/ч в течение 4 ч. В результате каталитического разложения углеводородного сырья образуется гранулированный пористый углеродный материал, имеющий следующие характеристики: Содержание углерода, 96,5
Удельная поверхность переходных пор, м2/г 120 Объем пор, см3/г 0,32 Диаметр пор, нм 20
Размер кристаллитов углерода (О.К.Р.), нм 6,0
Диаметр волокон углерода, нм 40-60
Отношение длины волокна к диаметру 160-250
Угол раствора конических слоев углерода, о 60-90
Межплоскостное расстояние d 002, нм 3,45
Рентгеновская плотность, г/см3 2,20
Истинная плотность, г/см3 2,15.
EXAMPLE Example 2 In a quartz reactor was charged 0.1 g of catalyst containing 57% Ni and 43% Al 2 O 3, is heated to the gaseous hydrocarbons (methane), temperature 550 C and stirred over the catalyst bed is passed at a speed of 12 l / h for 4 hours. As a result of the catalytic decomposition of hydrocarbons, a granular porous carbon material is formed having the following characteristics: Carbon content, 96.5
Specific surface of transition pores, m 2 / g 120 Pore volume, cm 3 / g 0.32 Pore diameter, nm 20
The size of carbon crystallites (O.K.R.), nm 6.0
Diameter of carbon fibers, nm 40-60
The ratio of fiber length to diameter 160-250
The angle of the solution of the conical layers of carbon, about 60-90
Interplanar distance d 002, nm 3.45
X-ray density, g / cm 3 2.20
True density, g / cm 3 2.15.

Приготовление и испытание катализатора Pd/С проводят по методике, описанной в примере1
Устойчивость катализатора
Pd/C в условиях процесса
жидкофазного восстановле- ния, Yж 32,9
Устойчивость катализатора
Pd/С к спеканию при повы- шенной температуре, Yt 0,38
Характеристики углеродных материалов, полученных по примерам 3-5, представлены в таблице.
The preparation and testing of the Pd / C catalyst is carried out according to the procedure described in example 1
Catalyst stability
Pd / C in process conditions
liquid phase recovery, Y w 32.9
Catalyst stability
Pd / C for sintering at elevated temperature, Y t 0.38
The characteristics of the carbon materials obtained in examples 3-5 are presented in the table.

Представленные выше результаты показывают, что заявляемый углеродный носитель принципиально отличается по своей структуре от известных углеродных материалов. Положительный эффект предлагаемого углеродного носителя заключается в существенном повышении устойчивости нанесенных палладиевых катализаторов к спеканию при повышенной температуре и в условиях процесса жидкофазного восстановления, обусловленном особым характером расположения атомов углерода на поверхности носителя. Так катализаторы, приготовленные на углеродных носителях по примерам 2-5 в условиях жидкофазного восстановления, теряют всего лишь 1,5-32,9% активности, тогда как известные углеродные носители в этих условиях теряют 48,8% активности. Устойчивость к спеканию катализаторов Pd/С на углеродном носителе по примерам 2-5 в 1,3-2 раза выше по сравнению с прототипом. The above results show that the inventive carbon carrier is fundamentally different in structure from known carbon materials. The positive effect of the proposed carbon carrier is to significantly increase the resistance of supported palladium catalysts to sintering at elevated temperature and in the conditions of the liquid phase reduction, due to the special nature of the location of carbon atoms on the surface of the carrier. So the catalysts prepared on carbon supports according to examples 2-5 under liquid-phase reduction conditions lose only 1.5-32.9% of activity, while known carbon supports under these conditions lose 48.8% of activity. Resistance to sintering of Pd / C catalysts on a carbon support in examples 2-5 is 1.3-2 times higher compared to the prototype.

Claims (1)

ПОРИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ в виде трехмерной углеродной матрицы, образованной изогнутыми слоями углерода, отличающийся тем, что изогнутые слои имеют форму волокон диаметром 10 150 нм и отношением длины к диаметру 160 - 2500, состоящих из упакованных друг в друга пакетов углерода конической формы с углом раствора 60 180o, межплоскостным расстоянием d0 0 2 0,34 0,35 нм, рентгеновской плотностью 2,17 2,24 г/см3 и истинной плотностью 2,05 2,17 г/см3, переплетенных случайным образом в гранулы.POROUS CARBON MATERIAL in the form of a three-dimensional carbon matrix formed by curved carbon layers, characterized in that the curved layers are in the form of fibers with a diameter of 10 to 150 nm and a ratio of length to diameter of 160 - 2500, consisting of conical carbon packets packed into each other with an angle of 60 180 o , interplanar distance d 0 0 2 0.34 0.35 nm, x-ray density of 2.17 2.24 g / cm 3 and a true density of 2.05 to 2.17 g / cm 3 , randomly bound into granules.
SU5015373/26A 1991-12-02 1991-12-02 Porous carbonic material RU2036718C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5015373/26A RU2036718C1 (en) 1991-12-02 1991-12-02 Porous carbonic material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5015373/26A RU2036718C1 (en) 1991-12-02 1991-12-02 Porous carbonic material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2036718C1 true RU2036718C1 (en) 1995-06-09

Family

ID=21590954

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5015373/26A RU2036718C1 (en) 1991-12-02 1991-12-02 Porous carbonic material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2036718C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784511C2 (en) * 2018-04-16 2022-11-28 Торэй Индастриз, Инк. Carbon fiber bundle, its production method, prepreg and composite material reinforced with carbon fiber
US11760861B2 (en) 2018-04-16 2023-09-19 Toray Industries, Inc. Carbon fiber bundle, manufacturing method therefor, prepreg, and carbon fiber-reinforced composite material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Патент США N 4978649, кл. B 01J 20/20, 1990. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784511C2 (en) * 2018-04-16 2022-11-28 Торэй Индастриз, Инк. Carbon fiber bundle, its production method, prepreg and composite material reinforced with carbon fiber
US11760861B2 (en) 2018-04-16 2023-09-19 Toray Industries, Inc. Carbon fiber bundle, manufacturing method therefor, prepreg, and carbon fiber-reinforced composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4978649A (en) Porous carbonaceous material
RU2312059C1 (en) Method of production of hydrogen and the nanofibrous carbon
Rodriguez et al. Carbon nanofibers: a unique catalyst support medium
Foley Carbogenic molecular sieves: synthesis, properties and applications
Jiao et al. Hierarchical ZSM-5/SiC nano-whisker/SiC foam composites: Preparation and application in MTP reactions
EP0366796A1 (en) Activated carbon and process for its production
JPH0853375A (en) Catalytic hydrogenation method and catalyst usable therein
Sadeghpour et al. DEA/TEAOH templated synthesis and characterization of nanostructured NiAPSO-34 particles: Effect of single and mixed templates on catalyst properties and performance in the methanol to olefin reaction
JPH04504445A (en) Catalytic steam growth method for producing carbon fibrils
KR20070059050A (en) Method for selectively producing ordered carbon nanotubes
Kallo et al. Adsorption and catalytic properties of sedimentary clinoptilolite and mordenite from the Tokaj Hills, Hungary
CN110813365A (en) Modification method of molecular sieve, modified molecular sieve and application
RU2036718C1 (en) Porous carbonic material
JP6862966B2 (en) Metal-containing zeolite
Matus et al. Deactivation and regeneration of Mo/ZSM-5 catalysts for methane dehydroaromatization
RU2146648C1 (en) Method of preparing carbon nanotubes
JP2017127857A (en) Catalyst for producing aromatic compound and method for producing aromatic compound
JP2952409B2 (en) Catalyst for lower olefin production
JP6780369B2 (en) Aromatic compound production catalyst and method for producing aromatic compounds
JPH09248456A (en) Molecular sieve activated carbon fiber having selective adsorbing capacity and its production
Miura et al. A shape-selective catalyst utilizing a molecular sieving carbon with sharp pore distribution
JPH10202104A (en) Catalyst for hydrogenation, production thereof and terephthalic acid-refining process
RU2064831C1 (en) Catalyst for hydrocarbons decomposition for hydrogen and carbon material and method of its production
Fenelonov et al. Catalytic filamentous carbon as adsorbent and catalyst support
CN111068667A (en) Preparation method and application of miscanthus sinensis mesoporous activated carbon-based palladium nanoparticle catalyst

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20051203