Synthese eines MoVNbTe-Katalysators mit reduziertem Gehalt an Niob und Tellur und höherer Aktivität für die oxidative Dehydrierung von Ethan Die Erfindung betrifft ein neues Mischoxidmaterial, das Molybdän, Vanadium, Tellur und Niob enthält und die Verwendung des Molybdänmischoxidmaterials als Katalysator für die oxidative Dehydrierung von Ethan zu Ethen oder die Oxidation von Propan zu Acrylsäure und ein Verfahren zur Herstellung des Mischoxidmaterials.
MoVNbTe-Mischoxide zur Oxidation von Propan zu Acrylsäure, zur Ammoxidation von Propan zu Acrylnitril oder zur oxidativen Dehydrierung von Ethan zu Ethen sind Stand der Technik. Mehr als 200 Patente und zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen behandeln Katalysatoren auf Basis von MoVNbTe-Mischoxiden . Die Promotierung dieser Mischoxide mit anderen Metallen des Periodensystems ist bekannt. Dabei liegen die höchsten vorbeschriebenen Acrylsäure-Ausbeuten bei 60% und die von Ethen bei ca. 80%. Das auf vier Elementen beruhende MoVNbTe-Basissystem für einen Katalysator wurde von Mitsubishi für die Ammoxidation von Propan zu Acrylnitril (1989, EP 318295 AI) und die Oxidation zu Acrylsäure vorgeschlagen (1994, EP 608838 A2) . In JP H07- 053414 (Mitsubishi) wird ein katalytisches Verfahren zur Herstellung von Ethylen durch die oxidative Hydrogenierung von Ethan bei tiefer Temperatur, mit einer hohen Ausbeute und mit einer hohen Selektivität, offenbart. Dieses Verfahren zur Herstellung von Ethylen durch das in Kontakt bringen von Ethan mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas in der Anwesenheit einer Katalysatorzusammensetzung bei erhöhter Temperatur, umfasst, dass die Katalysatorzusammensetzung ein
Mischmetalloxid enthält, welches als wesentliche Komponenten Molybdän, Vanadium, Tellur und Sauerstoff aufweist und welches ein Pulver-Röntgendiffraktogramm zeigt, das im Wesentlichen die folgenden relativen Peak-Intensitäten aufweist: 2Θ (+- 0.4°), rel. Int.: 22.1° (100), 28,2° (400-3), 36,2° (80-3), 45.1° (40-3) , 50° (50-3) .
MoVNbTe-Katalysatoren bestehen hauptsächlich aus zwei orthorhombischen Phasen, die „Ml" und ,,M2" genannt werden (T. Ushikubo, K. Oshima, A. Kayou, M. Hatano, Studies in Surface Science and Catalysis 112, (1997), 473). Die Ml-Phase scheint bei den selektiven Oxidationsreaktionen die wesentliche Rolle zu spielen.
Gemäß P. De Santo et al . , Z. Kristallogr. 219 (2004) 152 können die Hauptphasen Ml und M2 in MoVNbTe-Mischoxiden für die selektive Oxidation beispielsweise mit folgenden Strukturformeln beschrieben werden:
Ml: MoiVo, i5Teo, i2Nbo, 128O3, 7 oder M07, sVi, 2Teo, 937 bi028, 9
M2 : *MoiVo,32Teo,42 bo,os04,6 oder M04, 31V1, 3eTei, siNbo, 33O19, si
Die beiden Hauptphasen können auch mit etwas anderer Stöchiometrie auftreten. So sind sowohl Vanadium als auch Molybdän im Zentrum eines Oktaeders aus Sauerstoffatomen und daher in der Struktur teilweise austauschbar, so dass die gleiche Struktur, z.B. die Ml-Phase, auch mit einem höheren Vanadiumgehalt möglich ist. Eine detaillierte Untersuchung dieser Zusammenhänge findet sich bei P. Botella et al . , Solid State Science 7 (2005) 507-519. Speziell die M2-Phase ist für die oxidative Dehydrierung von Ethan nicht aktiv. (Siehe J.S. Valente et al . , ACS Catal. 4(2014), 1292-1301 speziell
S.1293) . Für die oxidative Dehydrierung von Ethan ist daher ein Katalysator, der aus möglichst reinen Ml-Phase besteht, erwünscht. Es wird daher versucht, diese Kristallphasen auch sauber und getrennt herzustellen. EP 529853 A2 offenbart einen Katalysator, der zur Herstellung eines Nitrils aus einem Alkan geeignet ist, wobei der Katalysator die empirische Formel MoVbTecXxOn hat, worin X mindestens eines von Nb, Ta, W, Ti, AI, Zr, Cr, Mn, Fe, Ru, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Sb, Bi, B und Ce ist, b 0,01 bis 1,0 ist, c 0,01 bis 1,0 ist; x 0,01 bis 1,0 ist und n eine Zahl ist, gemäß der die Gesamtwertigkeit der Metallelemente erfüllt ist und der Katalysator Röntgenstrahlbeugungspeaks bei den folgenden 2Θ -Winkeln in seinem Röntgenbeugungsmuster aufweist: Beugungswinkel bei 2Θ (22,1° +/- 0,3°, 28,2° +/- 0,3°, 36,2° +/- 0,3°, 45,2° +/- 0,3°, 50,0° +/- 0,3°).
JP H07-232071 offenbart ein katalytisches Verfahren zur Herstellung eines Nitrils, bei einer relativ niedrigen Temperatur und mit einer hohen Ausbeute, unter Verwendung eines Alkans als Rohmaterial und eines bestimmten Katalysators. Die Hauptkomponente des Katalysators ist ein Mischmetalloxid aus Molybdän, Vanadium, Tellur, Sauerstoff und X (X ist eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe aus Niob, Tantal etc.), wobei das Verhältnis der Hauptkomponenten, d.h. ausgenommen Sauerstoff, ausgedrückt wird, durch die Formeln I bis IV: I) 0,25 < rMo < 0,98, II) 0,003 < rV < 0,50, III) 0,003 < rTe < 0,50, IV) 0 < rX < 0,5, (rMo, rV, rTe und rX sind jeweils die molaren Teile an Molybdän, Vanadium, Tellur und X) und sich im XRD, XRD-Banden dieses Mischoxides bei den verschiedenen 29-Winkeln 9.0°±0.3°, 22.1°±0.3°, 27.3°±0.3°, 29.2°±0.3° und 35.4°±0.3° zeigen. Demnach kann ein Nitril hergestellt werden, indem ein Alkan
ohne die Anwesenheit einer halogenierten Substanz, z.B. mit Wasser etc., im Reaktionssystem, bei einer tiefen Temperatur mit einer hohen Ausbeute umgesetzt wird.
Andere erfolgreiche Versuche eine reine Ml-Phase herzustellen, basieren darauf, die M2-Phase aus dem Phasengemisch herauszulösen. Diese Versuche sind z.B. in EP 1301457 A2, EP 1558569 AI oder WO 2009106474 A2 beschrieben.
A.C. Sanfiz et al . , Top. Catal. 50 (2008) 19-32 beschreiben Hydrothermalsynthesen von MoVNbTe-Oxid . In diesen Synthesen wird ausschließlich von löslichen Verbindungen ausgegangen. Als lösliche Verbindung des Tellurs wird in der Regel Tellursäure Te (OH) 6 eingesetzt. In der gängigsten oxidischen Tellurverbindung TeÜ2 hat Tellur die Oxidationsstufe +4. Leider ist Tellurdioxid (TeÜ2) schlecht wasserlöslich. In der Tellursäure aber hat das Tellur die Oxidationsstufe +6. Tellur muss also bei der Herstellung der Tellursäure hoch oxidiert werden. Die gängige Synthese erfolgt durch Oxidation von Telluroxid mit Wasserstoffperoxid, was im großen Maßstab Sicherheitsprobleme mit sich bringt, denn Wasserstoffperoxid kann in Selbst Zersetzung zu Wasser und Sauerstoff disproportionieren . Deshalb ist Tellursäure nur schwer in großen Mengen herzustellen.
Die in der Synthese von MoVNbTe-Mischoxiden eingesetzte Nb- Komponente ist in der Regel Ammoniumnioboxalat . Nioboxid dagegen ist schwerlöslich und eignet sich daher nur bedingt als Ausgangsverbindung.
Watanabe (Applied Catal. A General, 194-195 (2000) 479-485) beschreibt unter anderem die hydrothermale Synthese aus den wenig löslichen Vorstufen M0O3, V2O5 und TeÜ2. Die
Hydrothermalsynthese ergibt eine Vorstufe für einen Ammoxidations-Katalysator, der im Vergleich zu einem Katalysator, der durch die bekannte trockene Methode hergestellt wird, die doppelt so hohe Aktivität nach der Kalzinierung aufweist. Die Mischoxide, die durch die FestStoffreaktion hergestellt werden, zeigen eine eher geringe Aktivität. Es wurde vorgeschlagen, dass die höhere Aktivität des durch die Hydrothermalsynthese hergestellten Katalysators vor allem mit der höheren Oberfläche zu tun hat. D. Vitry et al . Applied Catalysis A: General 251 (2003) 411- 424 berichtet von einem Mischoxid der Stöchiometrie MoiVo, 25 bo, uTeo, nOx . In neueren Studien zur oxydativen Deyhdrierung (ODH) von Ethan wurden Katalysatoren der Stöchiometrie MoiVo, 3 bo, ioTeo, ioOx verwendet. D. Melzer et al . Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 8873-8877) siehe „supplemental material" Sample B) berichtet von einem Mischoxid mit hohem Gehalt der Ml-Phase und einer analysierten Stöchiometrie von
MOlV0,27Nb0,10Te0,08Ox.
Eine Möglichkeit die Kosten zu senken ist die nötige Menge an Niob und Tellur zu reduzieren. Eine andere besteht darin preisgünstigere Ausgangsstoffe zu verwenden.
WO 2005120702 AI beschreibt ein Verfahren zur hydrothermalen Herstellung von Multimetallmassen, bestehend aus Mo und V, im Wesentlichen unter der ausschließlichen Verwendung von Ausgangsstoffen aus der Gruppe der Oxide, Oxidhydrate, Oxysäuren und Hydroxide für die Element-Bestandteile der oxidischen Multimetall-Massen, wobei eine Teilmenge der in den Ausgangsstoffen enthaltenen Element-Bestandteile eine Oxidationszahl unterhalb der maximalen Oxidationszahl aufweist.
WO 2013021034 AI bezieht sich auf ein Katalysatormaterial zur Oxidation und/oder oxidativen Dehydrierung von
Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur selektiven Oxidation von Propan zu Acrylsäure, umfassend a) Molybdän (Mo) , b) Vanadium (V) , c) Niob (Nb) , d) Tellur (Te) , e) Mangan (Mn) und Kobalt bei dem das molare Verhältnis mindestens eines Elementes, das ausgewählt ist aus Mangan und Kobalt, zu Molybdän im Bereich 0,01 bis 0,2, bevorzugter 0,02 bis 0,15 und besonders bevorzugt von 0,03:1 bis 0,1:1 liegt. Ferner wird ein Katalysator zur Oxidation und/oder oxidativen Dehydrierung von
Kohlenwasserstoffen, eine Verwendung des Katalysatormaterials oder des Katalysators, ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatormaterials zur Oxidation und/oder oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen und ein Verfahren zur selektiven Oxidation von Propan zu Acrylsäure angegeben.
WO 2008068332 AI betrifft neue mesoporöse Mischmetalloxid- Katalysatoren und ein Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Katalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen oder partiell oxidierten Kohlenwasserstoffen. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf mesoporöse Mischoxidkatalysatoren, die mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei verschiedene Metallspezies enthaltend, wobei mindestens einer davon zu der Gruppe der Übergangsmetalle gehört, auf ein Verfahren zur Herstellung, eines solchen Katalysators umfassend einen Herstellungsschritt über die „Neutral-Templat"-Route und einen
Kalzinierungsschritt in einer im wesentlichen Sauerstofffreien Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300 bis 700 °C, auf die Verwendung solcher Katalysatoren als Oxidationskatalysatoren zur Herstellung von oxidierten Kohlenwasserstoffen und insbesondere zur selektiven Oxidation oder Ammoxidation von Propan zu Acrylsäure und Acrylnitril.
Ein bevorzugter Katalysator umfasst die Elemente Mo, V, Te und Nb.
Den im Stand der Technik beschriebenen Synthesen der Ml-Phase ist gemein, dass nach der Umsetzung der Ausgangsmaterialien sich die Ml-Phase erst im Rahmen einer
Hochtemperaturbehandlung, typischerweise oberhalb 500 °C unter Inertgas, ausbildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde eine Synthesemethode zur Darstellung einer hochreinen Ml-Phase gefunden, die auf die abschließende Hochtemperaturbehandlung verzichtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen vereinfachten und effizienten Syntheseweg zur Darstellung eines Mischoxidmaterials enthaltend Molybdän, Vanadium, Tellur und Niob („MoVTeNb-Mischoxid" ) , das in hoher Phasenreinheit als Ml-Phase vorliegt, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung eines Mischoxidmaterials enthaltend Molybdän, Vanadium, Tellur und Niob umfassend die Schritte: a) Herstellen eines Gemisches aus Ausgangsverbindungen, das Molybdän, Vanadium, Niob und eine Tellur
enthaltende Ausgangsverbindung, in der Tellur in der Oxidationsstufe +4 vorliegt, enthält sowie Oxalsäure und mindestens einen weiteren Oxoliganden, b) hydrothermale Behandlung des Gemisches aus
Ausgangsverbindungen bei einer Temperatur von 100 bis 300 °C, um eine ProduktSuspension zu erhalten, c) Abtrennen und Trocknen des Mischoxidmaterials, das in
der aus Schritt b) resultierenden Suspension enthaltend ist .
Das Gemisch aus Ausgangsverbindungen liegt vorzugsweise als wässrige Suspension vor und wird anschließend hydrothermal behandelt. Der Begriff „hydrothermal" bezieht sich vorwiegend auf Reaktionsbedingungen zur Herstellung eines
Katalysatormaterials in Gegenwart von Wasser und unter erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck, beispielsweise im Autoklaven. Dabei kann der Druck im Bereich von 5 bis 30 bar, bevorzugt von 10 bis 27 bar liegen. Beispielhafte Druckbereiche sind 11 bis 20 bar.
Durch die hydrothermale Behandlung (Schritt b) ) wird eine ProduktSuspension erhalten, die das MoVNbTe-Mischoxid als Feststoff enthält. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Abtrennen des Feststoffs der Suspension in Schritt c) , der das erfindungsgemäße MoVNbTe-Mischoxid darstellt, in einen oder mehreren Schritten, der Filtration, z.B. des Abfiltrierens von der Mutterlauge, erfolgen. Das Trocknen kann in einem Schritt durchgeführt werden oder in zwei Schritten in strömender oder statischer Luft. Dabei ist der erste Trocknungsschritt bevorzugt bei 60 °C bis 150 °C (besonders bevorzugt bei 80 °C bis 120 °C) ein zweiter Trocknungsschritt kann bei 200 °C bis 400 °C durchgeführt werden. Zusätzlich kann Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens einen oder mehrere Schritte des Waschens, des Kalzinierens (thermische Behandlung), und/oder des Mahlens beinhalten. Das Kalzinieren kann bei 200 bis 500 °C bevorzugt 250 °C bis 350 °C an Luft erfolgen.
Nach dem Trocknen des Filtrates in Schritt c) kann optional die getrocknete Mischung z.B. in einer strömenden oder statischen Inertgasatmosphäre bei ungefähr 500 bis 700°C für
mindestens 1 Stunde aktiviert werden (Schritt d) ) . Als Inertgas eignet sich insbesondere Stickstoff, Helium oder Argon. Bevorzugt ist es, wenn das Aktivieren im Bereich von 550 bis 650°C erfolgt. Z.B. kann das Aktivieren bei ungefähr 600°C für ungefähr 2 Stunden erfolgen.
Entscheidend ist hierbei, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aktivierung nach der hydrothermalen Synthese im Gegensatz zu den bekannten Synthesen nicht erforderlich ist. Des Weiteren ist entscheidend, dass bei dieser Synthese die gewünschte Stöchiometrie an V (bis 0,3 im Verhältnis zu Mo), Niob und Tellur in der Synthese vorher bestimmt werden kann. Es verbleiben nur extrem geringe Konzentrationen der Ionen in der Mutterlauge der Kristallisation. Es werden die Metalle genau in der gewünschten Stöchiometrie in das MoVNbTe- Mischoxid eingebaut.
Die Ausgangsverbindungen sind die Molybdän, Vanadium, Tellur und Niob enthaltenden Edukte der Hydrothermalsynthese (Vorläuferverbindungen) . Diese enthalten jeweils eines oder mehrere der Elemente Molybdän, Vanadium, Tellur oder Niob. Die Molybdän enthaltende Ausgangsverbindung kann z.B. ein Ammoniumheptamolybdat oder Molybdäntrioxid sein, die Vanadium enthaltende Ausgangsverbindung kann z.B. ein
Ammoniummetavanadat , Vanadylsulfat oder Vanadiumpentoxid sein, die Niob enthaltende Ausgangsverbindung kann z.B. Ammoniumnioboxalat oder Nioboxalat oder Nioboxid sein. Die Tellur enthaltende Ausgangsverbindung gemäß der Erfindung ist eine, in der Tellur in der Oxidat ionsstufe +4, d.h. als Tellur ( IV) -Kation vorliegt, wie in Tellurdioxid oder einer Verbindung der Formel Mx n+TeC>3 (mit n = 1 oder 2 und x = 2/n), wobei M ein Alkali- oder Erdalkalimetall ist, z.B. wie Na2TeC>3. Besonders bevorzugt ist die Tellur enthaltende Ausgangsverbindung Tellurdioxid, das in einem beliebigen
Hydratisierungs-Grad vorliegen kann.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es, dass eine Synthese der Ml-Phase aus den unlöslichen und preisgünstigen Oxiden, z.B. M0O3, V2O5, 2Üs und TeÜ2 als Ausgangsverbindungen verwendet werden. Als weitere Oxoliganden (d.h. neben der Oxalsäure) haben sich besonders Dicarbonsäuren und Diole als geeignet herausgestellt sowie organische Verbindungen mit zwei benachbarten Kohlenstoffatomen, die jeweils eine Hydroxy-Gruppe aufweisen. Besonders bevorzugt als weiterer Oxoligand ist die Verwendung eines Gemisches aus Zitronensäure und Glykol.
Die Oxalsäure sollte vorzugsweise im Gemisch der Ausgangsverbindungen in einem Mo/Oxalsäure-Verhältnis von 1:0,01 bis 1:1, bevorzugt 1:0,08 bis 1:0,4, stärker bevorzugt 1:0,15 bis 1:0,25 vorliegen.
Der mindestens eine weitere Oxoligand, bzw. alle weiteren Oxoliganden zusammen, sollten vorzugsweise im Gemisch der Ausgangsverbindungen in einem Mo/Oxoliganden-Verhältnis von 1:0,01 bis 1:1, bevorzugt 1:0,025 bis 1:0,2, stärker bevorzugt 1:0,05 bis 1:0,1 vorliegen.
Diese Synthese liefert überraschenderweise schon nach der hydrothermalen Synthese und der Trocknung die Ml-Phase, ohne dass eine Hochtemperaturbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 400 °C notwendig wäre. Überraschenderweise kann bei Verwendung dieser Vorschrift die Menge der eingesetzten Mengen an Tellur und Niob deutlich reduziert werden und dennoch bildet sich die katalytisch aktive Ml-Phase in hoher Phasenreinheit aus .
Es wurde gefunden, dass bei Verwendung von M0O3, V2O5, b2Üs und TeÜ2 mit Zitronensäure, Glykol und Oxalsäure die hydrothermale Kristallisation zur Ml-Phase ohne nachfolgende Kalzinierung gelingt. Vorzugsweise sind während der Synthese keine Ammoniumionen anwesend. Das erfindungsgemäße
Herstellungsverfahren erlaubt die Synthese eines MoVTeNb- Mischoxidmaterials enthaltend die Elemente Mo, V, Te und Nb (MoVTeNb-Mischoxid) das die Ml-Phase aufweist mit nur geringeren Mengen an Niob und/oder Tellur. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher weiterhin, ein MoVTeNb-Mischoxid mit Ml-Phase und möglichst reduzierter Menge an Niob und Tellur zu finden, das als Katalysatormaterial verwendet werden kann und für die Oxidation von Alkanen eine möglichst hohe Aktivität aufweist. Diese Aufgabe wird gelöst, durch ein Mischoxidmaterial umfassend die Elemente Molybdän, Vanadium, Niob und Tellur, das im XRD Beugungsreflexe h, i, k und 1 aufweist, deren Scheitelpunkte ungefähr bei den Beugungswinkeln (2·) 26,2° ± 0,5° (h) , 27,0° ± 0,5° (i), 7,8° ± 0,5° (k) und 28,0° ± 0,5° (1) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Stöchiometrie aufweist:
MOlVaNbbTec0n (I) a = 0,2 bis 0,35,
b = größer 0 bis 0,08, vorzugsweise größer 0,01 bis 0,08 c = größer 0 bis 0,08, vorzugsweise größer 0,01 bis 0,08 n = eine Zahl, die durch die Wertigkeit und Häufigkeit der von Sauerstoff verschiedenen Elemente in (I) bestimmt wird.
Hierbei ist b vorzugsweise zwischen 0,001 bis 0,8, oder zwischen 0,01 und 0,5 und c ist vorzugsweise zwischen 0,001 bis 0,8 oder zwischen 0,01 und 0,5.
Das erfindungsgemäße Mischoxidmaterial kann als Katalysator, bzw. als Katalysatormaterial zur Oxidation und/oder oxidativen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur selektiven Oxidation von Ethan zu Ethylen eingesetzt werden.
Das Katalysatormaterial, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, kann auf verschiedene Art in einem kommerziellen Katalysator eingesetzt werden. Z.B. kann es durch Tablettieren zu Katalysatortabletten verarbeitet werden, die dann in einen Reaktor eingefüllt werden können.
Das Katalysatormaterial kann auch zusammen mit einem geeigneten Bindemittel zu einem Extrudat (Tabletten, Formkörper, Honigwabenkörper und dergleichen) verarbeitet werden. Als Bindemittel kann jedes dem Fachmann geläufige und geeignet erscheinende Bindemittel verwendet werden. Bevorzugte Bindemittel sind unter anderem Pseudoböhmit sowie silicatische Bindemittel wie kolloidales Siliciumoxid oder Silicasol. Das Katalysatormaterial kann ferner zusammen mit anderen Komponenten, vorzugsweise mit einem Bindemittel, besonders bevorzugt mit einem organischen Bindemittel, beispielsweise einem organischen Kleber, Polymeren, Harzen oder Wachsen, zu einem Washcoat verarbeitet werden, der auf einen metallischen oder keramischen Träger aufgebracht werden kann. Gegebenenfalls können zusätzliche Imprägnierschritte oder Kalzinierschritte erfolgen.
Das erfindungsgemäße MoVNbTe-Mischoxid wird in den Beispielen als Katalysatormaterial eingesetzt und bei den experimentellen Angaben daher teilweise als Katalysator bezeichnet.
Figur 1: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Beispiel 1.
Figur 2: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Beispiel 2.
Figur 3: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Vergleichsbeispiel 1.
Figur 4: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Vergleichsbeispiel 2.
Figur 5: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Beispiel 4.
Figur 6: STEM-Bild des Katalysators aus Beispiel 1, bei dem die Kristallstruktur der Ml-Phase zu erkennen ist.
Figur 7: REM-Bild des Katalysators aus Beispiel 1, bei dem die Nadel-Kristallform der Ml-Phase zu erkennen ist.
Figur 8: N2-Porenverteilung des Katalysators aus Beispiel 1.
Figur 9: N2-Porenverteilung des Katalysators aus Beispiel 2.
Figur 10: N2-Porenverteilung des Katalysators aus Beispiel 3.
Figur 11: Vergleich der katalytischen Aktivität der
Katalysatoren aus Beispiel 1 und 2 in der oxidativen Dehydrierung von Ethan.
Figur 12: Ethan-ODH Aktivität von Beispiel 4 und 5
Figur 13: Rontgendiffraktogramm des Katalysators aus Beispiel 5
Es ist klar zu erkennen, dass das XRD des erfindungsgemäßen Katalysators in Figur 2 die typischen Reflexe der Ml-Phase bei (2Θ=) 26,2° ± 0,5° (h) , 27,0° ± 0,5° (i), 7,8° ± 0,5° (k) und 28,0° ± 0,5° (1) aufweist (bei Verwendung der Cu-K - Strahlung), obwohl nur ein Mo/Nb-Verhältnis von 1:0,05 und ein Mo/Te-Verhältnis von 0,05 vorliegt. Die Reflexe sind etwas breiter, als in den Vergleichsbeispielen bei denen eine Hochtemperaturbehandlung stattgefunden hat (Figur 3) . Figur 4 zeigt, dass in dem Vergleichsbeispielen 1 und 2 ohne die Hochtemperaturbehandlung nur der Reflex bei 22,5°, der den Schichtabstand wiedergibt klar zu identifizieren ist. Erst nach der Hochtemperaturbehandlung (Figur 3) zeigt auch dieser Katalysator die typischen Reflexe der Ml-Phase.
Figur 11 zeigt, dass der erfindungsgemäße Katalysator nach Beispiel 1 eine höhere Aktivität in der oxidativen Dehydrierung von Ethan aufweist, als die der Vergleichsbeispiele .
Es ist klar zu erkennen, dass der nicht kalzinierte erfindungsgemäße Katalysator aus Beispiel 1 mit nur halb so viel Niob und Tellur deutlich aktiver ist. Der kalzinierte erfindungsgemäße Katalysator mit nur halb so viel Niob und Tellur aus Beispiel 2 ist genauso aktiv, wie der bei ebenso hoher Temperatur behandelte Katalysator nach dem Stand der Technik aus Vergleichsbeispiel 1. Er ist aber deutlich kostengünstiger, denn es wird weniger der teuren Metalle Niob und Tellur benötigt.
Charakterisierungsmethoden :
Zur Bestimmung der Parameter der erfindungsgemäßen
Katalysatoren werden die nachstehenden Methoden eingesetzt:
1. BET-Oberflache :
Die Bestimmung erfolgt nach der BET-Methode gemäß DIN 66131; eine Veröffentlichung der BET-Methode findet sich auch in J. Am. Chem. Soc. 60, 309 (1938) . Die Messungen wurden an einem Sorptomatic 1990 Gerät bei 77 K durchgeführt. Vor der
Messung wurde die Probe für 2 h bei 523 K evakuiert. Die lineare Regression der Isothermen nach der BET-Methode wurde in einem Druckbereich von p/po = 0,01 - 0,3 (po = 730 Torr) durchgeführt .
2. Chemische Analyse (ICP) mit AufSchlußmethode
Verwendete Geräte:
Mikrowelle Multiwave GO
Reaktionsgefäß PTFE
Plastiktube 50 ml
ICP Spectro Arcos
Verwendete Chemikalien:
HF 40% pA.
HCl 37% pA.
Schwefelsäure 98% pA.
Schwefelsäure 1:1 Die Probe wurde jeweils vor der Analyse fein gemahlen.
50 mg Probe wurden in einen Reaktionsgefäß eingewogen und mit 2 ml bidest. Wasser, 2 ml Flusssäure, 2 ml Salzsäure
versetzt und verschlossen. Die Probe wurde anschließend dem folgenden Mikrowellenprogramm ausgesetzt:
Schritt 1 10 Min. auf 100 °C, 1 Min. halten,
Schritt 2 5 Min. auf 180 °C, 20 Min. halten.
In einem Plastiktube werden 0,1 ml Scandiumstandard vorgelegt und dann die AufSchlusslösung überführt,
anschließend wurde temperiert, aufgefüllt und geschüttelt. Alle Elemente werden am ICP Arcos detektiert,
Folgende Grundeinstellungen wurden verwendet:
Plasmaleistung: 1400 Watt
Kühlgasfluss : 14 1/min
Hilfsgasfluss : 1,4 1/min
Zerstäubergasfluss : 0,8 1/min
Die Standards werden alle mit Säure angepasst und die
Massenkonzentration an Scandium beträgt 2 mg/1.
Standards :
Mo 300 / 400 / 500 mg/1
Nb 100 / 50 / 20 mg/1
Te 150 / 100 / 50 mg/1
V 100 / 50 / 20 mg/ 1
Wellenlängen :
Mo 287, 151 nm korr . Sc 424, 683 nm
202, 095 nm korr . Sc 424, 683 nm
204, 664 nm korr . Sc 424, 683 nm
202, 095 nm
Nb 269,706 nm korr . Sc 424, 683 nm
316,240 nm korr . Sc 424, 683 nm
316,340 nm
Te 225, 902 nm korr . Sc 335,373 nm
170, 000 nm korr . Sc 335,373 nm
170,000 nm
V 292,402 nm korr. Sc 424,683 nm
292,402 nm
311,071 nm korr. Sc 424,683 nm
w(E* in Prozent) = ß(E*-Messwert in mg/l) x V( Messkolben in I) x 100 m(Einwaage in mg)
E*= jeweiliges Element
3. Pulverröntgendiffraktometrie (XRD)
Das Röntgendiffraktogramm wurde durch Pulverröntgen- diffraktometrie (XRD) und Auswertung nach der Scherrerformel erstellt .
Die Diffraktogramme wurden auf einem PANalytical Empyrean, ausgestattet mit einem Medipix PIXcel 3D Detektor, in Θ-Θ Geometrie in einem Winkelbereich von 2Θ = 5 - 70 0
aufgenommen. Die Röntgenröhre erzeugte Cu-K-Strahlung . Die Cu-Kß-Strahlung wurde durch Verwendung eines Ni-Filters im Strahlengang es einfallenden Röntgenstrahls unterdrückt, so dass an der Probe ausschließlich Cu-K -Strahlung mit einer Wellenlänge von 15,4 nm (E = 8,04778 keV) gebeugt wurde. Die Höhe des quellenseitigen Strahlenganges wurde mittels automatischem Divergenzschlitz (programmable diveregence slit - PDS) so angepasst, dass die Probe über den gesamten Winkelbereich auf einer Länge von 12 mm bestrahlt wurde. Die Breite des detektorseitigen Röntgenstrahls wurde durch eine feste Blende auf 10 mm begrenzt. Horizontale Divergenz wurde durch Verwendung eines 0.4 rad Soller Slits minimiert.
Die Höhe des detektorseitigen Strahlenganges wurde analog zum quellenseitigen Strahlengang mittels automatischem Anti- brechungsschlit z (programmable anti-scatter slit - PASS) so
angepasst, dass über den gesamten Winkelbereich der auf einer Länge von 12 mm auf der Probe reflektierten
Röntgenstrahl detektiert wurde.
Die Proben wurden, je nach vorhandener Menge, entweder auf einem amorphen Siliziumprobenteller oder tablettiert als Flachbettproben präpariert.
4. STEM
Rastertransmissionselektronenmikroskopie wurde auf einem FEI Titan 80/300 TEM/STEM Elektronenmikroskop mit einer
Beschleunigungsspannung von 300 keV durchgeführt. Sphärische Abberation wurde mittels Illuminationkorrektur ausgeglichen. Alle Großwinkel-annulare-Dunkelfeld-Aufnahmen (HAADF) wurden mit einem Konvergenzhalbwinkel von 17,4 mrad und Annular- Dunkelfeld-Detektor-Halbwinkeln von 70 - 200 mrad
aufgenommen. Die Kristallproben wurden mittels Microtome- Technik präpariert .
5. REM
Rasterelektronenmikroskopie wurden auf einem JEOL JSM mit einem Sekundärelektronendetektor aufgenommen. Die
Beschleunigungsspannung betrug 2,0 kV und die
Emissionsstromstärke 10 μΑ. Der Arbeitsabstand betrug mm.
Aus führungsbeispiele :
Beispiel 1: MoV0, 3Nbo, osTeo, os
In einem 100 mL PTFE-Becher wurden 75 mL bidest illiertes Wasser vorgelegt, 175,8 mg Monoethylenglykol zugetropft und anschließend 5397, 5 mg Mo03, 1023, 3 mg V205, 299, 2 mg Te02, 274,4 mg Nb205«xH20 (Nb = 63,45 Gew.-%), 540,3 mg
Zitronensäure und 168,5 mg Oxalsäure aufgeschlämmt . Der Teflonbecher wurde verschlossen und in eine
Edelstahlautoklavenbombe überführt. Diese wurde druckdicht verschlossen und in einem auf 190 °C vorgeheizten Ofen auf eine horizontale drehende Welle gespannt. Nach 48 Stunden wurde die Autoklavenbombe aus dem Ofen entnommen und sofort unter fließendem Wasser abgeschreckt und anschließend in einem Eisbad für 45 Minuten abgekühlt.
Die entstandene ProduktSuspension wurde über Filterpapier (Porenweite 3 pm) abfiltriert und der Feststoff mit 200 mL bidestilliertem Wasser gewaschen.
Das so gewonnene Produkt wurde für 16 Stunden in einem
Trockenschrank bei 80 °C getrocknet und danach in einem Handmörser zermahlen. Es wurden eine Feststoff-Ausbeute von 6,8 g erreicht, die
Elementarzusammensetzung der Metalle im Produkt normiert auf Molybdän war MoVo, 3oTeo, osNbo, osOx, dies entspricht einer massenbezogenen Zusammensetzung von 53,0 Gew.-% Mo, 8,4 Gew.-% V, 2,9 Gew.-% Te und 2,3 Gew.-% Nb . Rastertransmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen des Produkts sind in Figur 6 und 7 gezeigt.
Die BET-Oberfläche des Produkts beträgt 66,4 m2/g, das
Produkt weist ein Porenvolumen von 0,11 cm3/g und eine
Porenverteilung auf, die Figur 8 gezeigt wird.
Beispiel 2 :
Der Katalysator, welcher in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde in einem Rohrofen einer Hitzebehandlung unterzogen. Dazu wurde 1 g des getrockneten Feststoffes in ein
Porzellanschiffchen überführt, so dass dessen Boden ca. 2 mm hoch mit Pulver bedeckt war. Die Aktivierung erfolgte für 2 h bei 600 °C, bei einer Heizrate von 10 °C/min in einem N2 - Fluss von 100 mL/min. Die Elementarzusammensetzung der
Metalle im Produkt normiert auf Molybdän war:
MoV0,30Te0,04Nb0,04Ox
Die BET-Oberflache des Produkts betrug 25,0 m2/g, das Produkt wies ein Porenvolumen von 0,04 cm3/g und eine Porenverteilung auf, die in Figur 9 gezeigt wird. Das XRD des Produkts wird in Figur 2 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 1: ( M0V0 , 3 bo, i Te o , 1 aus löslichen
Vorstufen)
Im Autoklaven (40 L) wurden 3,3 L dest. H2O vorgelegt und unter Rühren auf 80 °C erhitzt. Währenddessen wurde 725,58 g Ammoniumheptamolybdat-Tetrahydrat (von HC Starck)
hineingegeben und gelöst (AHM-Lösung) . In drei 5 L
Bechergläsern wurden jeweils 1,65 L dest. H2O unter Rühren auf einem Magnetrührer mit Temperaturregelung ebenfalls auf 80 °C erhitzt. In diese Bechergläser wurden dann jeweils 405,10 g Vanadylsulfathydrat (von GfE, V-Gehalt : 21,2%), 185,59 g Ammoniumnioboxalat (HC Starck, Nb-Gehalt : 20,6%) und 94,14 g Tellursäure zugegeben und gelöst (V-Lösung, Nb- Lösung und Te-Lösung) . Dann wurde die V-Lösung, die Te-Lösung und zum Schluss die Nb-Lösung in die AHM-Lösung mittels einer Schlauchpumpe gepumpt (Pumpzeit: V-Lösung: 4,5 min mit 190 rpm,
Schlauchdurchmesser: 8x5 mm, Nb-Lösung: 6 min mit 130 rpm Schlauchdurchmesser: 8x5 mm) .
Die entstandene Suspension wurde 1 0 min bei 8 0 °C weitergerührt. Die Geschwindigkeit des Rührers bei der
Fällung betrug 90 rpm. Anschließend wurde mit Stickstoff überlagert, indem im Autoklaven mit Stickstoff ein Druck bis ca. 6 bar aufgebaut und das Ablassventil so weit geöffnet wurde, dass der Autoklav unter Druck von 2 durchströmt wurde ( 5 min) . Am Ende wurde der Druck, über das
Entlüftungsventil, bis auf 1 bar Restdruck wieder
abgelassen . Die Hydrothermalsynthese erfolgte im 4 0 L Autoklaven bei 175 °C für 2 0 h. mit einem Ankerrührer (Aufheizzeit: 3 h) bei einer Rührergeschwindigkeit von 90 rpm.
Nach der Synthese wurde mit Hilfe einer Vakuumpumpe mit Blaubandfilter abfiltriert und der Filterkuchen mit 5 L dest . H2O gewaschen.
Die Trocknung erfolgte bei 8 0 °C im Trockenschrank für 3 Tage und anschließend wurde in einer Schlagmühle gemahlen. Die erreichte Feststoff-Ausbeute betrug 0 , 8 kg, das Produkt wurde bei 2 8 0 °C für 4 h an Luft kalziniert, (Heizrate
5 °C/min Luft: 1 L/min) .
Die Aktivierung erfolgte in einer Retorte in einer N2- Gasatmosphäre im Ofen bei 60 0 °C für 2 h (Heizrate 5 °C/min 2 : 0 , 5 L/min) . Nach dieser Behandlung betrug die BET- Oberfläche 13 m2/g. Es entstand ein Katalysator mit der Stochiometrie
M01V0, 3Nbo, io Te o, ιοθχ , entsprechend einem Gewichtsanteil der Metalle am Gesamtgewicht des Katalysators von Mo=4 9 Gew.-%; V=7 , 9 Gew.-%; Te= 6 , 5 Gew.-%; Nb= 4 , 9 Gew.-%.
Die Mutterlauge nach der Filtration enthielt noch 0 , 23 Gew.- % Vanadium und 0 , 1 Gew.-% Molybdän.
Vergleichsbeispiel 2:
Der Katalysator aus Vergleichsbeispiel 1 wurde direkt nach der Kalzinierung bei 280 °C für 4 h verwendet. Die
Kalzinierung bei 600 °C unter Stickstoff für 2 h wurde nicht durchgeführt.
Beispiel 3:
Die katalytische Aktivität in der oxidativen Dehydrierung von Ethan der Katalysatoren aus Beispiel 1 und den
Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde in einem Rohrreaktor bei Atmosphärendruck im Temperaturbereich 330 °C bis 420 °C untersucht. Dazu wurden je 25 mg (Beispiel 1 und
Vergleichsbeispiel 1) oder 200 mg (Vergleichsbeispiel 2) Katalysator (Partikelgröße 150 - 212 pm) mit Silizumcarbid (Partikelgröße 150 bis 212 pm) im Massenverhältnis 1 : 5 verdünnt. Unter- und oberhalb des Katalysatorbettes wurde eine Schicht aus jeweils 250 mg Siliziumcarbid der gleichen Partikelgröße eingefüllt und die Enden des Rohrreaktors durch Quarzwollepfropfen verschlossen.
Der Reaktor wurde vor Beginn des Experiments mit Inertgas gespült und anschließend unter einem Heliumfluss von 50 sccm auf 330 °C aufgeheizt. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht wurde und für eine Stunde stabil war, wurde auf das Reaktionsgasgemisch umgeschaltet .
Die Eingangsgaszusammensetzung war Cz^He/Oz^/H = 9,1/9,1/81,8 (v/v) bei einem Gesamtvolumenstrom von 50 sccm.
Die Analyse des Produktgasstromes wurde in einem
Gaschromatographen ausgerüstet mit Haysep N- und Haysep Q- Säulen, einer Molsiebsäule 5A und einem
Wärmeleitfähigkeitsdetektor bestimmt .
Die Ethylenbildungsraten unter den oben beschriebenen
Bedingungen sind in Figur 11 dargestellt. Bei der Messung des Vergleichsbeispiels 1 wurden 200 mg Katalysator anstelle von 25 mg verwendet, denn der erfindungsgemäße Katalysator war so deutlich aktiver, dass die Aktivität mit den gleichen Massenflußreglern und der gleichen Katalysatormenge nicht zu messen gewesen wäre. Die Darstellung in Figur 11 ist aber auf die Raumgeschwindigkeit normiert so dass die Werte vergleichbar sind. Beispiel 4: MoV0, 3oNb0, 03 e0, 03
In einem 100 mL PTFE-Becher wurden 75 mL bidest illiertes Wasser vorgelegt, 180,3 mg Monoethylenglycol zugetropft und anschließend wurde mit 5399, 9 mg Mo03, 1024, 0 mg V205, 180,2 mg Te02, 166,8 mg Nb205«xH20 (Nb = 63,45 Gew.-%), 542,4 mg Zitronensäure und 101,3 mg Oxalsäure aufgeschlämmt . Der Teflonbecher wurde verschlossen und in eine
Edelstahlautoklavenbombe überführt. Diese wurde druckdicht verschlossen und in einem auf 190 °C vorgeheizt Ofen auf eine horizontale drehende Welle gespannt. Nach 48 Stunden wurde die Autoklavenbombe aus dem Ofen entnommen und sofort unter fließendem Wasser abgeschreckt und anschließend in einem Eisbad für 45 Minuten abgekühlt.
Die entstandene Produkt Suspension wurde über Filterpapier (Porenweite 3 pm) abfiltriert und der Feststoff mit 200 mL bidest illiertem Wasser gewaschen.
Das so gewonnene Produkt wurde für 16 Stunden in einem
Trockenschrank bei 80 °C getrocknet und danach in einem Handmörser zermahlen.
Beispiel 5: MoV0, 3oNbo, oeTeo, 03
In einem 100 mL PTFE-Becher wurden 75 mL bidestilliertes Wasser vorgelegt, 182,3 mg Monoethylenglycol zugetropft und anschließend wurde mit 5406,7 mg M0O3, 1023,1 mg V2O5, 177,7 mg Te02, 329, 9 mg Nb205«xH20 (Nb = 63, 45 Gew.-%), 543, 4 mg Zitronensäure und 204,5 mg Oxalsäure aufgeschlämmt . Der Teflonbecher wurde verschlossen und in eine
Edelstahlautoklavenbombe überführt. Diese wurde druckdicht verschlossen und in einem auf 190 °C vorgeheizten Ofen auf eine horizontal drehende Welle gespannt. Nach 48 Stunden wurde die Autoklavenbombe aus dem Ofen entnommen und sofort unter fließendem Wasser abgeschreckt und anschließend in einem Eisbad für 45 Minuten abgekühlt.
Die entstandene ProduktSuspension wurde über Filterpapier (Porenweite 3 pm) abfiltriert und der Feststoff mit 200 mL bidestilliertem Wasser gewaschen.
Das so gewonnene Produkt wurde für 16 Stunden in einem Trockenschrank bei 80 °C getrocknet und danach in einem Handmörser zermahlen.
Beispiel 6:
Die katalytische Aktivität in der oxidativen Dehydrierung von Ethan der Katalysatoren aus Beispielen 4 und 5 wurde in einem Rohrreaktor bei Atmosphärendruck im Temperaturbereich 330 - 420 °C untersucht. Dazu wurden je 50 mg Katalysator
(Korngröße 150 - 212 pm) mit Silizumcarbid (Korngröße 150 - 212 pm) im Massenverhältnis 1 : 5 verdünnt. Unter- und oberhalb des Katalysatorbettes wurde eine Schicht aus jeweils 250 mg Siliziumcarbid der gleichen Korngröße
eingefüllt und die Enden des Rohrreaktors durch Quarzwollepfropfen verschlossen.
Der Reaktor wurde unter vor Beginn des Experiments mit Inertgas gespült und anschließend unter einem Heliumfluss von 50 sccm auf 330 °C aufgeheizt. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht wurde und für eine Stunde stabil war, wurde auf das Reaktionsgasgemisch umgeschalten.
Die Eingangsgaszusammensetzung war C2H6/02/He = 9,1/9,1/81, (v/v) bei einem Gesamtvolumenstrom von 50 sccm.
Die Analyse des Produktgasstromes wurde in einem
Gaschromatographen ausgerüstet mit Haysep N- und Haysep Q- Säulen, einer Molsiebsäule 5A und einem
Wärmeleitfähigkeitsdetektor bestimmt .
Die Ethylenbildungsraten unter den oben beschriebenen
Bedingungen sind Figur 12 dargestellt.
Tabelle 1:
Tabelle 1 zeigt die Stöchiometrien, und die BET-Oberflachen der erfindungsgemäßen Katalysatoren mit
Vergleichsbeispielen .