CN109453770A - 一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,以锆、铁、钴和铈的硝酸盐,及钛酸丁酯、四氯化钛、四异丙醇钛为前驱体,以纯铂为原材料,通过溶胶凝胶法、水热法和共沉淀法制备氧化物载体,利用纯铂制备氯铂酸溶液,通过化学还原沉淀法在上述混合氧化物载体上负载金属铂,通过一定温度煅烧后,在氨气和氧气条件下氨氧化催化制一氧化氮。所得催化剂比表面积大、贵重金属负载量小、氨氧化选择性好、转化率高,可有效提高氨的转化率和减少贵金属用量。
Description
技术领域
本发明涉及到一种混合氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂的制备和评价,特别是用于制备硝酸中氨氧化催化。在氨氧化工艺中,通过在升高的温度下使气体混合物通过氧化物负载铂的催化剂而将氨氧化成氮氧化物。
背景技术
氨氧化催化反应主要应用于硝酸、氢氰酸的生产,高温催化氧化氨生成一氧化氮和HCN,工业上一直采用铂铑合金网催化剂。硝酸是重要的基础化工品,是三酸两碱之一,是用途极为广泛的化工原料。除了化工行业外,硝酸还用于冶金、医药、燃料、农业、核工业等方面。硝酸在化工行业的应用,可以分为无机化工和有机化工两个方面。其中,无机化工主要应用于生产硝酸铵、硝酸磷肥、硝基复合肥、各类硝酸盐和火箭推进剂;有机化工主要应用于生产硝基苯、硝基甲苯、己二酸、硝基氯苯,是MDI、TDI、尼龙66、工程塑料的主要原材料。
铂网催化剂具有优良的选择性和转化率,但是其缺点在于不仅催化剂成本非常昂贵,而且在双加压机组使用过程中,铂合金网表面形成易挥发的氧化铂(PtO2)造成铂损失。为了减少铂损耗,先后出现过铂网下安装填充瓷圈、玻璃纤维等捕集气流中金属微粒来回收铂,NiPd网利用PdO与PtO2发生反应形成Pt-Pd固溶体来捕集气态PtO2,回收效果良好,回收率达到70-80%。随着Pd价格的不断上涨,该技术的回收成本也越来越高,同时也促进了价格较低催化材料替代铂的研究。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂及制备和评价方法,所得催化剂具有高比表面积、高选择性、高氨转化率和低的贵金属用量的特点。
本发明的技术方案是:一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,催化剂载体为氧化锆和氧化钛混合氧化物,氧化钛和氧化铈混合氧化物,氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化锆、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化铁、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化铁、氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物中的一种组合;催化剂负载元素为铂、铂钯、铂铑、铂铑钯中一种或几种组合。
进一步地,所述催化剂的制备包括以下步骤:
S1:根据所述催化剂载体中的氧化物元素比例,取一定量的硝酸盐溶解于去离子水中,配制成0.005mol/L的溶液,并以10g/L的剂量加入PVP,加入一定量的硝酸溶液,使溶液pH值在1-2之间,置于三口瓶中搅拌加热,配制一定量的含钛前驱体乙醇溶液,按照1滴/3s的速度滴加至三口瓶中,滴加完成后形成溶胶凝胶,加入一定量的稀氨水至完全沉淀,在所述三口瓶中回流2h,然后离心过滤,烘干48h,然后500℃煅烧5h,研磨得到粉末状的载体;
S2:取一定量的所述催化剂负载元素,用王水溶解制成溶解液,取所述溶解液用乙二醇在碱性条件下制成0.005wt.%、0.05wt.%、0.5wt.%、1wt.%、5wt.%的混合氧化物负载溶液,
S3:将步骤S2的混合氧化物负载溶液加入载体分散的乙醇溶液中,水浴加热搅拌2h,离心过滤后用丙酮清洗1次,用无水乙醇清洗3次,用去离子水清洗2次,50℃烘干24h,500℃煅烧2h,得到催化剂;
S4:氨气和氧气按照一定比例通入评价装置,使用气相色谱测试氨气、氧化亚氮、氮气,使用滴定法测定硝酸产率,然后计算选择性和转化率。
进一步地,步骤S1可替换为:根据所述催化剂载体中的氧化物元素比例,用一定量的丁胺或十六烷基胺或三乙胺,与一定量的硝酸盐、钛化合物、PVP加入高压反应釜中,在180℃温度下,反应36h,然后清洗、离心分离,烘干,研磨得到粉状物。
进一步地,通过溶胶凝胶法制备氧化锆、氧化铈、氧化钴、氧化铁和氧化钛的两种或两种以上的混合氧化物颗粒,所述混合氧化物颗粒粒径小于20nm。
进一步地,通过水热法制备出球状或片状的氧化锆、氧化铈、氧化钴、氧化铁和氧化钛的两种或两种以上的混合氧化物颗粒,所述混合氧化物颗粒粒径小于20nm。
进一步地,使用滴定法测定硝酸产率,用气袋收集混合物气体然后用气相色谱检测,分析选择性和转化率。
进一步地,步骤S3水浴加热搅拌过程中每隔1-2min辅加8-400ms的脉冲电场处理直到完全沉淀,其中,脉冲电场场强为50-80kV/cm,脉冲频率200-1100Hz,脉冲宽度30-120μs,脉冲波形为矩形波。以上述方法及条件下处理,可以提高本催化剂负载物的均匀度和沉淀的效果,进而提高本发明催化剂的催化效果和原料利用率,节省成本。
进一步地,所述步骤S1中煅烧的具体条件为:将烘干后物质放在磁场强度为5-15T的超导强磁场里升磁,以50-60℃/h升温至370-420℃,活化0.5-1.5小时,降磁至0T,再以20-30℃继续升温至500℃,煅烧总时间为5h,加氮气冷却至室温。通过上述方法及条件对煅烧物进行处理,可以提高载体的负载效果。
进一步地,所述步骤S3中煅烧的具体条件为:在500℃下煅烧2h,在270-290℃温度下,氮氢比为8:2的气氛环境下煅烧20-35min,之后通入惰性气体继续煅烧5-10min,随后再次升温至500℃,并通入空气恒温煅烧,煅烧总时间为2h,随后自然冷却至室温得到催化剂。通过不同温度下的不同气氛对本发明催化剂进行最后的煅烧处理,可以提高本发明催化剂的稳定性,并增强本催化剂的催化效果。
进一步地,所述评价装置主要包括控制器、反应管、气相色谱、电脑、气体收集瓶一、气体收集瓶二、气体收集瓶三和气袋;所述反应管上端连接有氨气瓶、氧气瓶和压力表,所述氨气瓶和氧气瓶与反应管连接管道上各安装有一个质量流量计,所述控制器与反应管连接至管内,控制器上端设有温度传感器和温控仪,所述反应管下端连接有气相色谱和气体收集瓶一,所述气相色谱和气体收集瓶一与反应管连接管道上各安装有一个球阀,气相色谱与氩气瓶、电脑连接,所述气体收集瓶一从右到左依次串联气体收集瓶二、气体收集瓶三和气袋。
更进一步地,将该催化剂用于氨氧化过程,在800℃条件下,一氧化氮的选择性接近97%,转化率可达到100%。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,铂负载量小,相比于传统同类催化剂贵重金属负载量小,本发明催化剂仅需0.005wt.%-1.0wt.%即可达到上述催化效果,可减少贵金属用量,成本更低,且催化效果不受影响,具有良好的应用前景。
(2)本发明的氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂比表面积高,催化效果更好,本发明负载型催化剂的比表面积可达270m2/g,氨氧化选择性好,转化率高,可有效提高氨的转化率。
(3)本发明的评价装置操作简单,结果准确,使用方便,便于与本发明催化剂配合使用。
附图说明
图1是催化剂评价流程及评价装置连接关系图。
图2为负载铂催化剂的扫描电镜图。
图3为扫描电镜图的局部放大图。
图4为扫描电镜能谱图。
图5为负载铂催化剂的BET图。
图6为负载铂催化剂的选择性和转化率图。
其中,1-氨气瓶、2-氧气瓶、3-质量流量计、4-控制器、5-温度传感器、6-温控仪、7-反应管(其中,反应管外侧阴影为加热段、反应管内中部黑色段为催化剂装填位置)、8-压力表、9-球阀、10-氩气瓶、11-气相色谱、12-电脑、13-气体收集瓶一、14-气体收集瓶二、15-气体收集瓶三、16-气袋。
具体实施方式
实施例1
制备Ti0.3Ce0.7O2Pt0.05%的混合氧化物催化剂,
S1:根据氧化铁、氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物中的氧化物元素比例,称取8.6克硝酸铈配制0.005mol/l的溶液,8.7克四异丙醇钛溶于无水乙醇中,加入40克PVP,加入20ml硝酸,使pH值为1.8。将配制好的硝酸铈溶液在水浴锅中加热并搅拌,当水温达到80℃时,开始滴加四异丙醇钛的乙醇溶液,将滴定速度控制在1滴/3s,滴加完毕后,滴加约50ml的氨水溶液,使pH值为8.5,使沉淀完全沉淀。期间沉淀由乳白色变为土黄色。在所述三口瓶中回流2h,超声波清洗3次,然后离心过滤,烘干48h。500℃煅烧5h,研磨得到粉末状的载体。
S2:取1.0wt.%铂钯合金,用王水溶解制成溶解液,取所述溶解液用氢氧化钠和乙二醇的碱性条件下制成1.0wt.%的混合氧化物负载溶液,
S3:将步骤S2的混合氧化物负载溶液加入载体分散的乙醇溶液中,然后加入氯铂酸和氯钯酸混合溶液,水浴加热搅拌2h,离心过滤后用丙酮清洗1次,用无水乙醇清洗3次,用去离子水清洗2次。50℃烘干24h,500℃煅烧2h,得到催化剂。
S4:氨气和氧气混合后通入氧化炉评价装置中,该装置使用温度区间0-1200℃;升温速率0-40℃/min,温度稳定性±2℃以内,控制精度1℃以内;炉膛内径44mm,外反应器内径34mm;炉长900mm,恒温区400mm(±2℃),内反应器直径14mm;氨气流量计量程100ml/min,氧气流量计量程500ml/min。铂网由高温法兰连接,固体粉末催化剂由铁铬铝合金纤维网作为支撑包裹,将1克催化剂装填到反应管7中,升温10℃/分至800℃,实验通入气体流速为氨气10ml/min,纯氧200ml/min,作为实验气体流速,后端连接有在线气相色谱。氨气反应气体全部转化,转化率100%,气相色谱11测定氮气和氧化氮的含量,然后确定一氧化氮的选择性97.25%以上,与通入1h收集的硝酸收率一致。
实施例2
制备Ti0.5Ce0.5O2Pt1.0%的混合氧化物催化剂,
S1:根据氧化铁、氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物中的氧化物元素比例,称取8.6克硝酸铈配制0.005mol/l的溶液,8.7克四异丙醇钛溶于无水乙醇中,加入40克PVP,加入20ml硝酸,使pH值为1.8。将配制好的硝酸铈溶液在水浴锅中加热并搅拌,当水温达到80℃时,开始滴加四异丙醇钛的乙醇溶液,将滴定速度控制在1滴/3s,滴加完毕后,滴加约50ml的氨水溶液,使pH值为8.5,使沉淀完全沉淀。期间沉淀由乳白色变为土黄色。在三口瓶中回流2h,超声波清洗3次,然后离心过滤,烘干48h。500℃煅烧5h,研磨得到粉末状的载体。
S2:取上述载体1.0克溶于丙酮溶液中,搅拌24h,称取0.001克的乙酰丙酮铂作为铂元素来源,溶于上述丙酮溶液中,然后在80℃水浴加热状态下,滴加过量的水合肼。离心过滤后用无水乙醇清洗3次,用去离子水清洗2次。50℃烘干24h,500℃煅烧2h,得到催化剂。
S3:将1.0克催化剂装填到反应管7中,升温10℃/分至750℃,通入氨气和氧气,氨气流量10ml/min,氧气流量200ml/min,氨气反应气体全部转化,转化率100%,气相色谱11测定氮气和氧化氮的含量,然后确定一氧化氮的选择性为97.7%,与通入1h收集的硝酸收率一致。
实施例3
实施例3与实施例1不同之处在于,步骤S1可替换为:根据所述催化剂载体中的氧化物元素比例,用3.2克的十六烷基胺,与8.6硝酸铈、8.7克四异丙醇钛、40克PVP加入高压反应釜中,在180℃温度下,反应36h,然后清洗、离心分离,烘干,研磨得到粉状物。
实施例4
实施例4与实施例1不同之处在于,步骤S3水浴加热搅拌过程中每隔1min辅加8ms的脉冲电场处理直到完全沉淀,其中,脉冲电场场强为50kV/cm,脉冲频率200Hz,脉冲宽度30μs,脉冲波形为矩形波。以上述方法及条件下处理,可以提高本催化剂负载物的均匀度和沉淀的效果,进而提高本发明催化剂的催化效果和原料利用率,节省成本。
实施例5
实施例5与实施例1不同之处在于,步骤S3水浴加热搅拌过程中每隔1.6min辅加270ms的脉冲电场处理直到完全沉淀,其中,脉冲电场场强为65kV/cm,脉冲频率750Hz,脉冲宽度80μs,脉冲波形为矩形波。以上述方法及条件下处理,可以提高本催化剂负载物的均匀度和沉淀的效果,进而提高本发明催化剂的催化效果和原料利用率,节省成本。
步骤S1中煅烧的具体条件为:将烘干后物质放在磁场强度为12T的超导强磁场里升磁,以55℃/h升温至410℃,活化1.2小时,降磁至0T,再以27℃继续升温至500℃,煅烧总时间为5h,加氮气冷却至室温。通过上述方法及条件对煅烧物进行处理,可以提高载体的负载效果。
实施例6
实施例6与实施例1不同之处在于,步骤S3水浴加热搅拌过程中每隔2min辅加400ms的脉冲电场处理直到完全沉淀,其中,脉冲电场场强为80kV/cm,脉冲频率1100Hz,脉冲宽度120μs,脉冲波形为矩形波。以上述方法及条件下处理,可以提高本催化剂负载物的均匀度和沉淀的效果,进而提高本发明催化剂的催化效果和原料利用率,节省成本。
步骤S1中煅烧的具体条件为:将烘干后物质放在磁场强度为15T的超导强磁场里升磁,以60℃/h升温至420℃,活化1.5小时,降磁至0T,再以30℃继续升温至500℃,煅烧总时间为5h,加氮气冷却至室温。通过上述方法及条件对煅烧物进行处理,可以提高载体的负载效果。
步骤S3中煅烧的具体条件为:在500℃下煅烧2h,在290℃温度下,氮氢比为8:2的气氛环境下煅烧35min,之后通入惰性气体继续煅烧10min,随后再次升温至500℃,并通入空气恒温煅烧,煅烧总时间为2h,随后自然冷却至室温得到催化剂。通过不同温度下的不同气氛对本发明催化剂进行最后的煅烧处理,可以提高本发明催化剂的稳定性,并增强本催化剂的催化效果。
如图1所示,评价装置主要包括控制器4、反应管7、气相色谱11、电脑12、气体收集瓶一13、气体收集瓶二14、气体收集瓶三15和气袋16;反应管7上端连接有氨气瓶1、氧气瓶2和压力表8,氨气瓶1和氧气瓶2与反应管7连接管道上各安装有一个质量流量计3,控制器4与反应管7连接至管内,控制器4上端设有温度传感器5和温控仪6,反应管7下端连接有气相色谱11和气体收集瓶一13,气相色谱11和气体收集瓶一13与反应管7连接管道上各安装有一个球阀9,气相色谱11与氩气瓶10、电脑12连接,气体收集瓶一13从右到左依次串联气体收集瓶二14、气体收集瓶三15和气袋16。
为进一步阐述本发明所达到的预定目的与技术手段及功效,通过实施例1(制备Ti0.3Ce0.7O2Pt0.05%的混合氧化物催化剂)和实施例2(制备Ti0.5Ce0.5O2Pt1.0%的混合氧化物催化剂)对本发明进行进一步说明,通过对本发明催化剂进行分析,图2-4所示为催化剂扫描电镜结果图,图5为负载铂催化剂的BET图,图6为负载铂催化剂的选择性和转化率图。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,催化剂载体为氧化锆和氧化钛混合氧化物,氧化钛和氧化铈混合氧化物,氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化锆、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化铁、氧化铈和氧化钛混合氧化物,氧化铁、氧化钴、氧化铈和氧化钛混合氧化物中的一种组合;催化剂负载元素为铂、铂钯、铂铑、铂铑钯中一种或几种组合。
2.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,所述催化剂的制备包括以下步骤:
S1:根据所述催化剂载体中的氧化物元素比例,取一定量的硝酸盐溶解于去离子水中,配制成0.005mol/L的溶液,并以10g/L的剂量加入PVP,加入一定量的硝酸溶液,使溶液pH值在1-2之间,置于三口瓶中搅拌加热,配制一定量的含钛前驱体乙醇溶液,按照1滴/3s的速度滴加至三口瓶中,滴加完成后形成溶胶凝胶,加入一定量的稀氨水至完全沉淀,在所述三口瓶中回流2h,然后离心过滤,烘干48h,然后500℃煅烧5h,研磨得到粉末状的载体;
S2:取一定量的所述催化剂负载元素,用王水溶解制成溶解液,取所述溶解液用乙二醇在碱性条件下制成0.005wt.%、0.05wt.%、0.5wt.%、1wt.%、5wt.%的混合氧化物负载溶液,
S3:将步骤S2的混合氧化物负载溶液加入载体分散的乙醇溶液中,水浴加热搅拌2h,离心过滤后用丙酮清洗1次,用无水乙醇清洗3次,用去离子水清洗2次,50℃烘干24h,500℃煅烧2h,得到催化剂;
S4:氨气和氧气按照一定比例通入评价装置,使用气相色谱测试氨气、氧化亚氮、氮气,使用滴定法测定硝酸产率,然后计算选择性和转化率。
3.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,通过溶胶凝胶法制备氧化锆、氧化铈、氧化钴、氧化铁和氧化钛的两种或两种以上的混合氧化物颗粒,所述混合氧化物颗粒粒径小于20nm。
4.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,通过水热法制备出球状或片状的氧化锆、氧化铈、氧化钴、氧化铁和氧化钛的两种或两种以上的混合氧化物颗粒,所述混合氧化物颗粒粒径小于20nm。
5.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,使用滴定法测定硝酸产率,用气袋收集混合物气体然后用气相色谱检测,分析选择性和转化率。
6.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,步骤S3水浴加热搅拌过程中每隔1-2min辅加8-400ms的脉冲电场处理直到完全沉淀,其中,脉冲电场场强为50-80kV/cm,脉冲频率200-1100Hz,脉冲宽度30-120μs,脉冲波形为矩形波。
7.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,所述步骤S1中煅烧的具体条件为:将烘干后物质放在磁场强度为5-15T的超导强磁场里升磁,以50-60℃/h升温至370-420℃,活化0.5-1.5小时,降磁至0T,再以20-30℃继续升温至500℃,煅烧总时间为5h,加氮气冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,所述步骤S3中煅烧的具体条件为:在500℃下煅烧2h,在270-290℃温度下,氮氢比为8:2的气氛环境下煅烧20-35min,之后通入惰性气体继续煅烧5-10min,随后再次升温至500℃,并通入空气恒温煅烧,煅烧总时间为2h,随后自然冷却至室温待用。
9.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,铂铑钯三种元素的一种或组合,王水溶解,在碱性条件下己二酸还原负载,负载量0.005wt.%-5wt.%。
10.根据权利要求1所述的一种氧化物负载铂的氨氧化制氮氧化物的催化剂,其特征在于,所述评价装置主要包括控制器(4)、反应管(7)、气相色谱(11)、电脑(12)、气体收集瓶一(13)、气体收集瓶二(14)、气体收集瓶三(15)和气袋(16);所述反应管(7)上端连接有氨气瓶(1)、氧气瓶(2)和压力表(8),所述氨气瓶(1)和氧气瓶(2)与反应管(7)连接管道上各安装有一个质量流量计(3),所述控制器(4)与反应管(7)连接至管内,控制器(4)上端设有温度传感器(5)和温控仪(6),所述反应管(7)下端连接有气相色谱(11)和气体收集瓶一(13),所述气相色谱(11)和气体收集瓶一(13)与反应管(7)连接管道上各安装有一个球阀(9),气相色谱(11)与氩气瓶(10)、电脑(12)连接,所述气体收集瓶一(13)从右到左依次串联气体收集瓶二(14)、气体收集瓶三(15)和气袋(16)。
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