CN115739160B - 一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法，涉及氨分解制氢催化剂技术领域，其中催化剂制备方法包括以下步骤：1）将2‑甲基咪唑与金属硝酸盐通过室温晶化法合成ZIF‑8或ZIF‑67；2）将镍盐溶于甲醇中制备浸渍液，对ZIF‑8或ZIF‑67进行浸渍处理；3）以浸渍后的ZIF‑8或ZIF‑67为晶种，使用溶剂热法制备出MOF‑74包覆的ZIF‑8或ZIF‑67核壳结构催化剂前驱体；4）将核壳结构催化剂前驱体压片成型后进行焙烧处理；5）将焙烧后的催化剂前驱体在还原气氛下还原，即可制得所述催化剂；此方法制备的催化剂具有非常高的活性金属Ni分散度，同时暴露出更多的碱性位点，显著增强了供电子能力，表现出优异的低温氨解制氢活性和稳定性，具有非常好的应用前景。

Description

一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及氨分解制氢催化剂技术领域，具体涉及一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法。
背景技术
我国一次能源生产、消费规模巨大，位居世界首位。但国内油气生产难以满足我们快速增长的生产需要，对进口有着较大的依存度。根据路透社报道，全球能源市场发生了较为严重的周期性能源短缺，其主要表现为全球主要的能源消费区内的石油、煤炭和天然气等化石能源库存远低于平均水平，使其价格急剧攀升远高于平常水平。从能源安全的角度考虑，一旦石油、煤炭和天然气等化石能源枯竭，人类的能源供应将成为一个重大问题。人类必须在化石能源之外寻找新的能源来保障能源安全。
氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。利用氢能是实现碳达峰与碳中和的最可行途径之一，因此发展氢能产业势在必行。然而若要实现氢能的大规模应用，面临的首要挑战便是氢气的储运问题。氢气极易燃烧、***极限范围广，易发生“氢脆”现象，氢气的体积能量密度低，使得氢气的储运成为了一个亟待解决的问题。
氨具有较高的能量密度和重量储氢量，其中氢的质量分数为17.7%，且其分解只生成氮气和氢气，并不会生成COx温室气体。氨气极易被压缩，储运安全，密度比空气小，泄露后不会积聚并且扩撒较快，具有较大的安全性。并且合成氨的技术非常成熟，氨的价格低廉。因此氨作为氢的载体，将氢的储运转变为氨的储运，以氨分解制氢具有较大的应用前景。
中国专利文献CN114570361A公开了一种碳层包覆二氧化硅为载体的钌基氨分解制氢催化剂及其制备方法，在500-600 °C时表现出较高的氨分解活性。但该催化剂在应用中较易发生甲烷化反应，造成催化剂载体的流失，使得催化剂的结构受到破坏，进而影响催化剂的氨分解活性。
中国专利文献CN114192144A公开了一种通过高温热解含有过渡金属的MOFs来制备氨分解催化剂的制备方法。制备出的催化剂中活性组分易于控制，不易团聚，提高了催化剂的氨分解活性。但催化剂的合成过程复杂、合成周期较长、成本较高，很难应用于大规模生产。
中国专利文献CN112387274公开了一种通过沉积沉淀法制备的氧化镁负载的钌基催化剂。该催化剂的制备工艺较为简单，并且催化活性与稳定性较好，易于实现放大生产。但该催化剂的钌含量过高，使得其成本较高。
综上所述，目前还没有一款催化剂能够同时做到高活性与强稳定性。因此，探寻与开发新的氨分解催化剂具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷，提供了一种镍基高效氨分解催化剂及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1）将2-甲基咪唑与金属硝酸盐通过溶剂热法合成ZIF-8或ZIF-67；
2）将镍盐溶于甲醇中制备浸渍液，对ZIF-8或ZIF-67进行浸渍处理；
3）以浸渍后的ZIF-8或ZIF-67为晶种，使用溶剂热法制备出MOF-74包覆的ZIF-8或ZIF-67核壳结构催化剂前驱体；
4）将所述核壳结构催化剂前驱体压片成型后进行焙烧处理；
5）将焙烧后的催化剂前驱体在还原气氛下还原，即可制得所述催化剂。
优选的，步骤1）中所述金属硝酸盐为六水合硝酸锌和六水合硝酸钴中的至少一种。
优选的，步骤1）中所述ZIF-8或ZIF-67的合成方法包括：将摩尔比为（3-4）：1的2-甲基咪唑与金属硝酸盐溶于甲醇中并充分搅拌，搅拌结束后以甲醇为溶剂将其离心洗涤，将所得产品干燥后即可制得ZIF-8或ZIF-67。
优选的，步骤2）中所述镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、乙酰丙酮镍中的至少一种。
优选的，步骤3）中所述MOF-74包覆的ZIF-8或ZIF-67核壳结构催化剂前驱体，其合成方法包括：将所述ZIF-8或ZIF-67置于的DMF、乙醇和水的混合溶剂中进行充分搅拌，使得ZIF-8或ZIF-67在混合溶剂中均匀分散，其中ZIF-8或ZIF-67与混合溶剂的质量比为（3-9）：100；将2，5-二羟基对苯二甲酸与四水合乙酸镁置于含有ZIF-8或ZIF-67的混合溶剂中，室温下搅拌至完全溶解；然后将药品放置烘箱中155-165℃晶化；晶化结束后，用DMF与甲醇洗涤晶化产物；最后将所得产品165-175℃真空干燥后即可制得所述催化剂前驱体。
优选的，步骤4）中将所述核壳结构催化剂前驱体进行压片成型，并破碎成20-40目的颗粒。
优选的，步骤4）中所述焙烧气氛为空气、氮气、氩气中的一种，所述焙烧温度为400-920℃，焙烧时间为1-5h。
优选的，步骤5）中所述还原气氛为氨气、氢气、氨氢混合气中的一种，还原温度为300-900℃，还原时间为1-10h。
上述制备方法得到的镍基高效氨分解催化剂，镍的质量占催化剂总质量的1-20%，氧化镁的质量占催化剂总质量的20%-40%。
本发明与现有技术相比较，具有以下优点：
本发明通过溶剂热法制备出了核壳结构的MgO包覆CN锚定高分散Ni基新型催化剂；以此方法制备的催化剂具有非常高的活性金属Ni分散度，同时暴露出更多的碱性位点，显著增强了供电子能力，表现出优异的低温氨解制氢活性和稳定性，具有非常好的应用前景。
本发明提供的镍基催化剂，其复现性好、催化活性高，具有巨大的工业应用潜力。
具体实施方式
下面是结合实施例对本发明进一步说明。
实施例一
取2.62g 2-甲基咪唑与3.17g六水合硝酸锌溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所得产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得到ZIF-8。将0.39g六水合硝酸镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-8上。将9g浸渍后的ZIF-8置于200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中160℃晶化16h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为920℃，焙烧时间为4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为71.70%。
实施例二
取3.50g 2-甲基咪唑与3.17g六水合硝酸锌溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所的产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得ZIF-8。将0.39g六水合硝酸镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-8上。之后用管式炉对其进行焙烧，焙烧气氛为氮气，焙烧温度为700℃，焙烧时间为2h，即可得黑色粉末状的CN材料。将3g CN材料置于200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中160℃晶化16h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为700℃，焙烧时间为4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为62.72%。
实施例三
取3.28g 2-甲基咪唑与3.08g六水合硝酸钴溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所的产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得到ZIF-67。将0.39g六水合硝酸镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-67上。将8g浸渍后的ZIF-67置于200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中140℃晶化12h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为700℃，焙烧时间为4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为89.16%。
实施例四
取3.28g 2-甲基咪唑与3.08g六水合硝酸钴溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所的产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得ZIF-67。将0.39g六水合乙酰丙酮镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-67上。之后用管式炉对其进行焙烧，焙烧气氛为氮气，焙烧温度为600℃，焙烧时间为2h，即可得黑色粉末状的CN材料。将4gCN材料置于200 mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中180℃晶化10h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为800℃，焙烧时间为4h。最后用氢气将其还原，还原温度为500℃，还原时间为3h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为76.38%。
实施例五
取3.28g 2-甲基咪唑与3.17g六水合硝酸锌溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所得产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得到ZIF-8。将0.39g六水合硝酸镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-8上。将9g浸渍后的ZIF-8置于200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中160℃晶化16h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为400℃，焙烧时间为1h。最后用氢气将其还原，还原温度为300℃，还原时间为10h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为59.44%。
实施例六
取3.28g 2-甲基咪唑与3.17g六水合硝酸锌溶于80mL甲醇中，在室温下磁力搅拌24h。搅拌后将浑浊液转移至离心杯中，以甲醇为溶剂进行离心洗涤，离心机转速为5000r/min。离心结束后将所得产品置于60℃烘箱中干燥12h，即可得到ZIF-8。将0.39g六水合硝酸镍溶于甲醇中配制成浸渍液，以等体积浸渍法浸渍到ZIF-8上。将9g浸渍后的ZIF-8置于200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂中并超声均匀。将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸与6.86g四水合乙酸镁的混合物置入混合溶剂中，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中160℃晶化16h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，用DMF洗涤三次，用甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体颗粒。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为氮气，焙烧温度为800℃，焙烧时间为5h。最后用氢气将其还原，还原温度为900℃，还原时间为1h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为64.87%。
对比例一
将3.17g 2，5-二羟基对苯二甲酸、0.35g四水合乙酸镍与6.56g四水合乙酸镁的混合物置入200mL的DMF：乙醇：水=15：1：1的混合溶剂，将其搅拌使之完全溶解。之后将药品转移至晶化釜内，将晶化釜置于旋转烘箱中160℃晶化16h。晶化结束降至常温后将釜内药品转移至烧杯中，加入DMF洗涤12h，倒掉上清液再次用DMF洗涤12h。重复此操作，最后使样品被DMF洗涤三次，被甲醇洗涤四次。最后倒掉甲醇上清液抽滤剩余药品，之后在真空干燥箱170℃真空干燥5 h。干燥结束后对其进行压片，制备出20-40目的催化剂前驱体。之后在管式炉里进行焙烧，焙烧氛围为N2，焙烧温度为700℃，焙烧时间为4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为44.70%。
对比例二
将5.04g碱式碳酸镍、6.12g氢氧化铝粉和8.00g田菁粉机械混合均匀，添加稀释后的3wt%的浓硝酸至上述粉体中打浆，经挤条机中混捏2-3次后，装入模具挤条得到成型催化剂前驱物。将所得前驱物在室温下静置12h，120℃干燥2h，放入马弗炉中550℃焙烧4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500 ℃时氨分解率为29.30%。
对比例三
将3.06g氢氧化铝粉、4.34g氢氧化镁和8.00g田菁粉机械混合均匀，添加稀释后的3wt%的浓硝酸至上述粉体中打浆，经挤条机中混捏2-3次后，装入模具挤条得到成型MgO-Al2O3载体前驱物，将所得前驱物在室温条件下静置12h晾干，120℃干燥箱中干燥2h，马弗炉550℃焙烧4h后，即可得到成型的MgO-Al2O3载体。以六水合硝酸镍配置浸渍液，使用等体积浸渍法将20wt%的镍浸渍到载体上。之后放入马弗炉中550℃焙烧4h。最后用氢气将其还原，还原温度为550℃，还原时间为2h。
将上述制得的催化剂在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为29.30%。
对比例四
以泡沫镍直接作为成品催化剂，在实验室用石英管微型固定床反应器进行氨分解反应，原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃时氨分解率为2.05%。
上述实施例和对比例的催化剂在相同条件下（原料气为99.999%高纯氨，空速为6000cm3/(gcat∙h)，反应温度为500℃）的测试结果如表1所示：
表1 实施例与对比例的活性评价结果
Figure SMS_1
由表1中数据可知，实施例催化剂的活性金属Ni含量为10%，明显低于对比例催化剂的20%，但表现出更为优异的氨分解活性。对比实施例1与实施例2可知，通过MOF-74直接包覆ZIF-8制成的催化剂具有更好的催化活性。实施例3中制备的催化剂具有少量的氧化钴，氧化钴与氧化镍相配合使催化剂表现出了更高的氨分解活性。
本发明并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将2-甲基咪唑与金属硝酸盐通过溶剂热法合成ZIF-8或ZIF-67；
2）将镍盐溶于甲醇中制备浸渍液，对ZIF-8或ZIF-67进行浸渍处理；
3）以浸渍后的ZIF-8或ZIF-67为晶种，使用溶剂热法制备出MOF-74包覆的ZIF-8或ZIF-67核壳结构催化剂前驱体；所述MOF-74包覆的ZIF-8或ZIF-67核壳结构催化剂前驱体，其合成方法包括：将所述ZIF-8或ZIF-67置于的DMF、乙醇和水的混合溶剂中进行充分搅拌，使得ZIF-8或ZIF-67在混合溶剂中均匀分散，其中ZIF-8或ZIF-67与混合溶剂的质量比为（3-9）：100；将2，5-二羟基对苯二甲酸与四水合乙酸镁置于含有ZIF-8或ZIF-67的混合溶剂中，室温下搅拌至完全溶解；然后将药品放置烘箱中155-165℃晶化；晶化结束后，用DMF与甲醇洗涤晶化产物；最后将所得产品165-175℃真空干燥后即可制得所述催化剂前驱体；
4）将所述核壳结构催化剂前驱体压片成型后进行焙烧处理；
5）将焙烧后的催化剂前驱体在还原气氛下还原，即可制得所述催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述金属硝酸盐为六水合硝酸锌和六水合硝酸钴中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述ZIF-8或ZIF-67的合成方法包括：将摩尔比为（3-4）：1的2-甲基咪唑与金属硝酸盐溶于甲醇中并充分搅拌，搅拌结束后以甲醇为溶剂将其离心洗涤，将所得产品干燥后即可制得ZIF-8或ZIF-67。
4.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述镍盐为硝酸镍、氯化镍、硫酸镍、乙酰丙酮镍中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤4）中将所述核壳结构催化剂前驱体进行压片成型，并破碎成20-40目的颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤4）中所述焙烧气氛为空气、氮气、氩气中的一种，所述焙烧温度为400-920℃，焙烧时间为1-5h。
7.根据权利要求1所述的一种镍基高效氨分解催化剂的制备方法，其特征在于：步骤5）中所述还原气氛为氨气、氢气、氨氢混合气中的一种，还原温度为300-900℃，还原时间为1-10h。
8.根据权利要求1-7任一所述的制备方法制备的一种镍基高效氨分解催化剂，其特征在于：镍的质量占催化剂总质量的1-20%，氧化镁的质量占催化剂总质量的20%-40%。
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