Ni3P基催化剂的制备及苯酚加氢脱氧性能

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生物质油是可再生能源中唯一以液体为载体的能源,可替代石油等化石燃料生产发动机燃料。但是,生物质油中氧含量很高,因而具有热值低、粘度大、热化学稳定性差和与石油馏分混溶性差等缺点,需要经脱氧提质才能用于发动机燃料。加氢脱氧(HDO)是实现生物质油中脱氧的有效方法之一,其核心是高性能催化剂的制备。过渡金属磷化物具有“类贵金属”的性质,在加氢精制过程(加氢脱硫、加氢脱氮和HDO等)中表现出优异的催化性能,其中磷化镍催化活性最高。本论文系统研究Ni3P在水相和油相中苯酚HDO反应的催化性能,通过引入助剂和酸性载体构建加氢和脱水双功能催化活性中心,从而提升其HDO催化性能,采用化学镀新方法在多种载体上制备高分散Ni3P催化剂,研究苯酚HDO反应路径及其动力学,用XRD、N2物理吸附、XPS、TEM、NH3-TPD、Py-FTIR、CO化学吸附、H2-TPR、TG-DSC和ICP对催化剂进行表征并研究了其构效关系。在研究体相Ni2P催化水相苯酚HDO时,发现Ni2P在水热条件下不稳定,在一定条件下可以转化为Ni3P。所形成的Ni3P不仅稳定性好,而且具有优异的加氢活性,其低温活性(150~200℃)优于Pd/SiO2(1 wt%),远高于金属Ni。当以十氢萘作溶剂时,Ni3P在催化苯酚HDO反应时活性显著高于Ni2P和Ni12P5。XPS表征结果表明,Ni3P表面由Ni向P的电子转移较弱,其氢解离能力较强,从而表现出较高低温加氢活性。当磷化镍(Ni3P、Ni2P和Ni12P5)用作催化剂时,苯酚HDO反应产物中没有检测到苯,说明反应以预加氢(HYD)路径为主导,直接脱氧(DDO)路径的贡献可以忽略。在低温下(150-200 ℃),产物中环己醇的选择性大于80%,可知在苯酚HDO反应中环己醇的脱水反应是速率控制步骤。将苯酚HDO反应路径分成苯酚加氢和环己醇加氢转化两步,分别研究了磷化镍上苯酚加氢和环己醇加氢转化的反应动力学。“一锅法”制备Ni3P-CePO4催化剂,CePO4的引入提高了 Ni3P的分散度,从而提高其加氢活性。NH3-TPD和Py-FTIR表征结果表明,CePO4表面具有中等强度的L酸,为环己醇脱水反应提供所需的催化活性中心,因而显著提高催化剂的HDO活性。XRD表征结果显示,CePO4在共沉淀过程中形成,在后续高温焙烧和程序升温还原制备Ni3P过程中CePO4结构不变。采用浸渍法制备不同载体(SiO2、γ-Al2O3、Hβ和HZSM-5)负载的磷化镍催化剂,发现载体组成显著影响催化剂活性相的生成。当以SiO2作载体时,当前体中Ni/P摩尔比为3、2和1时,所制备的晶相分别为Ni3P、Ni12P5和Ni2P。当γ-Al2O3用作载体时,采用不同Ni/P摩尔比的前体经程序升温还原所得晶相均为Ni,这是因为高温焙烧条件下P物种与γ-Al2O3反应消耗大量P物种所致。当以Hβ作载体时,前体中Ni/P摩尔比为3、2和1时,所制备的晶相分别为Ni、Ni-Ni3P和Ni2P。当以HZSM-5作载体时,前体中Ni/P摩尔比为3、2和1时,所制备的晶相分别为Ni3P-Ni、Ni12P5和Ni2P;若在前体制备过程中省去烘干步骤,则采用Ni/P=3的前体可以制得不含杂质Ni的Ni3P/HZSM-5 催化剂。采用沉积沉淀法和化学镀法,在温和条件下在γ-Al2O3、SiO2、TiO2和HZSM-5上成功制备出高分散Ni3P催化剂。ICP分析结果显示催化剂中Ni/P摩尔比约为3,且在HRTEM图像中观察到归属于Ni3P的晶格条纹,Ni3P晶粒尺寸为4.3~8.2 nm。研究发现,沉积沉淀时间对Ni3P的负载量和颗粒尺寸有显著影响,沉积沉淀16 h制备的Ni3P/HZSM-5催化剂负载量高,且颗粒尺寸最小(~4.3nm),其催化苯酚HDO时活性最高。
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