PVP改性SiO2球负载Ni、Co及其丙烷脱氢催化性能研究

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在丙烷的下游产品中,丙烯是重要的化工原料,它是三大合成材料的基本原料,然而,随着化石能源的消耗,传统的丙烯生产方法不能满足日益增长的需求,丙烷脱氢工艺由于其专门生产丙烯而成为最有前景的丙烯生产方法,目前,丙烷脱氢工艺已广泛应用于工业生产,主要用到的催化剂是Cr基催化剂和Pt基催化剂,但是Cr基催化剂催化丙烷脱氢(PDH)反应时,存在碳沉积和Cr3+聚集致使氧化铬失活的问题。Pt基催化剂经济成本高且易形成焦炭,同时,对于常规的催化剂,包括已经工业化的Pt基催化剂和Cr基催化剂,丙烷转化率在600℃以下均小于60%,能耗高且效率低,因此需要开发一种低能耗且经济的催化剂,提高丙烷脱氢的丙烷转化率。近年来,SiO2由于其大比表面积,良好的生物相容性等优点被广泛应用于PDH反应中作为载体,过渡金属Ni、Co资源较丰富,对PDH反应具有催化性能,具有较好的经济效应,同时,贵金属Pt和Co相结合制备出高效的丙烷脱氢催化剂,金属Ni作为和贵金属Pt同主族的元素,具有潜在的协同作用,因此,本文旨在研究一种Ni、Co协同的高效的丙烷脱氢催化剂,对金属Ni、Co催化剂的载体种类、金属种类、金属负载量、双金属配比进行了研究,探究对PDH反应性能的影响,为研发丙烷脱氢催化剂提供参考。(1)利用水热合成的SiO2纳米球作为载体,通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对其表面进行改性,结果表明当SiO2和PVP单体物质的量的比例为1:5时,有利于金属的分散,可以提高催化剂的催化性能,实验结果表明最佳SiO2形貌为球形,粒径在200 nm-400 nm,PVP改性后的SiO2形貌没有发生明显变化。(2)合成了两种单金属催化剂,分别为Ni@PVP@SiO2催化剂和Co@PVP@SiO2催化剂,探究了两种催化剂最优金属负载量。采用最优条件下的改性后的PVP@SiO2,利用浸渍法将两种过渡金属Ni Co成功负载在载体上,PDH反应性能评价表明,对于Ni@PVP@SiO2催化剂和Co@PVP@SiO2催化剂的最佳PDH反应性能条件均为反应温度550℃、体积空速1500 h-1、金属负载量为3 wt%,此时Co@PVP@SiO2催化剂催化PDH反应的丙烷转化率达到56.28%,丙烯选择性达到64.7%。Ni@PVP@SiO2催化剂催化PDH反应的丙烷转化率达到62.7%,丙烯选择性达到62.9%。综上所述两种催化剂均具有在相对较低温度下良好的PDH性能且负载金属Ni的最优催化剂催化PDH反应的丙烯收率高于负载金属Co的最优催化剂。(3)合成了一种双金属催化剂,为Ni Co@PVP@SiO2催化剂,探究了双金属催化剂的最优双金属配比,采用最优条件下的载体PVP@SiO2,利用两种金属Ni Co之间的协同作用,通过浸渍法将两种金属Ni Co同时成功负载在载体上。PDH反应性能评价表明,对于Ni Co@PVP@SiO2催化剂最佳PDH反应性能条件为反应温度550℃、体积空速1500 h-1、金属Ni Co总负载量为3 wt%、双金属配比为1:5。此时丙烷转化率达到65.38%,丙烯选择性达到68.04%,综上所述,最优条件下的双金属Ni Co催化剂催化PDH反应的丙烷转化率和丙烯选择性均优于上述两种单金属催化剂,证明二者之间的协同作用对催化剂催化PDH反应起促进作用。其丙烯收率优于上述两种单金属催化剂。
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