蛋壳型纳米催化剂的制备及其催化性能研究

【摘要】本文系统地研究了以空心多孔纳米Si02为载体制备的蛋壳型催化剂及其微观结构特征,并考察了各种制备条件对催化剂结构的影响。重点研究了Pd基催化剂在CO加氢合成甲醇中的催化性能,并对CO加氢合成甲醇的热力学性质进行了初步分析;此外,还考察了空心Si02团粒的制备及其作为催化剂载体在聚烯烃催化剂中的应用。首先以纳米CaCO3或PMMA为模板、硅酸钠或正硅酸乙酯为硅源,采用溶胶—凝胶法制备出了空心Si02载体,其粒径在60～70nm,比表面积在400～800m2·g-1之间,平均孔径范围为2～7nm。以空心Si02为载体,PdCl2为前驱体,采用浸渍法制备了蛋壳型Pd基催化剂。制备条件对催化剂的结构有着显著的影响,较为适宜的煅烧温度为450°C。TEM、XRD、SEM和XPS等表征结果表明,催化剂的活性组分分散均匀、粒径较小,约为9nm左右,还原后的催化剂其活性组分Pd的粒径有所减小,约为6nm左右。活化后催化剂活性组分是以金属单质的形式存在,且活性组分Pd与助催化剂之间存在电子转移;添加的助催化剂Ca与活性组分Pd相互作用生成复合催化剂。其次考察了CO加氢合成甲醇的热力学性能。反应的焓变、Gibbs自由能和平衡常数是温度的函数。在CO加氢合成甲醇的反应中,由于反应放热,在一定的反应压力下,提高反应温度使得CO的平衡转化率降低,同时甲醇的平衡含量也是降低的;而在一定的反应温度下,提高反应压力使得CO的平衡转化率和甲醇的平衡含量增加。然后研究了助催化剂及其添加量、活性组分的含量、催化剂载体和反应工艺条件对催化性能的影响。Pd基催化剂在CO加氢合成甲醇的反应中,助催化剂能够显著提高催化剂的催化活性,其中以碱土金属Ca的助催化效果最好,在最佳添加量的情况下(Ca/Pd=1,mol比)其活性提高了约18倍,甲醇的选择性也提高了25.2%。在一定范围内增加活性组分含量可以提高催化活性。采用空心Si02作载体的催化剂其活性较传统Pd基催化剂提高了3倍。活性组分Pd在反应过程中比较稳定,反应前后没有发生变化,仍是以金属单质的形式存在于催化剂中。升高反应压力能够显著提高反应活性和甲醇的选择性;升高反应温度虽然能够提高反应活性,但是降低了甲醇的选择性。因此,CO加氢合成甲醇有一个较优的反应温度,选为300℃；还原温度也能够影响催化剂的反应活性和甲醇的选择性,通过比较,确定400℃为催化剂的较优还原温度；反应空速的增加能够显著提高反应活性和甲醇的选择性,但是CO的转化率和甲醇的收率则随着空速的增加而降低,因此CO加氢合成甲醇较为适宜的空速为7200mL·g-1·h-1反应气配比比例对反应也存在影响,H2/CC=2是CO合成甲醇的最佳配比。通过分析可知,Pd基催化剂上CO加氢合成甲醇的反应机理是：CO和H2分别以非解离和解离状态吸附在活性中心上；吸附态的CO与吸附态的H反应生成中间产物甲酸盐,经过进一步的加氢/脱氢反应而生成甲醇。结果表明,以空心Si02为载体的蛋壳型Pd基催化剂的催化活性要高于以实心SiO2为载体的Pd催化剂的催化活性。其后又研究了蛋壳型Ni基催化剂的制备及其在CO加氢合成甲醇反应中的催化性能。研究结果表明,采用空心Si02能够制备出蛋壳型Ni基催化剂,活性组分分散比较均匀,且粒径较小;XRD和XPS分析结果表明,还原后的催化剂活性组分是以金属单质的形式存在,反应后的活性组分仍是以金属单质的形式存在于催化剂中,反应前后没有发生变化。蛋壳型Ni基催化剂在CO加氢合成甲醇的反应中活性较高,在220℃和2.0MPa下CO的转化率达到70mo1%,甲醇的选择性达到92%,远高于Cu系催化剂的活性和甲醇的选择性。通过反应条件的考察,可以确定Ni催化剂较为适宜的反应条件是220℃和2.0MPa。最后,本文还探讨了空心Si02团粒的制备及其在聚烯烃催化剂中的应用。采用油—氨成型方法能够制备出大颗粒的空心Si02团粒,其颗粒尺寸在10～25μm之间,其比表面积在200-300m2.g-1之间,孔径分布在4-18nm,平均孔径为在20～30nm之间,孔容在1.2-2.3cm3·g-1之间。煅烧温度对Si02团粒的比表面积和孔径分布有着显著的影响,其较为适宜的煅烧温度为400℃。空心SiO2团粒能够负载茂金属催化剂,且催化剂在乙烯聚合反应中活性较高,达到8350gPE/gCat.,远高于工业要求指标,所得聚乙烯产品是由许多小颗粒构成的球形颗粒,TEM结果表明SiO2颗粒在聚乙烯产品中形貌没有发生变化,仍是以空心结构存在。
【作者】宋继瑞；
【导师】陈建峰；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程，2006，博士
【关键词】空心多孔SiO2；蛋壳型催化剂；甲醇合成；热力学分析；油一氨成型；聚烯烃催化剂；

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