基于金属有机骨架材料的催化剂制备及其性能研究

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金属有机骨架化合物(Metal Organic Frameworks,MOFs)是由金属节点和有机配体组装而成的有序的多孔网状结晶材料,其结构多变、组成多样,还有丰富的孔结构和较大的比表面积,是制备碳材料、金属和金属化合物及它们的复合材料的理想前驱体,这为催化材料的制备与发展提供了新的方向。催化材料作为催化技术的关键,是各类工艺开发和优化的基础,高效经济的催化材料的开发一直是催化领域研究的重点。本课题选取Cu-BTC、Ni-BTC和MIL-96作为催化剂的金属活性位或载体的前驱体,探索MOFs衍生的金属催化剂的理化性质、结构特点及催化性能,具体研究内容和结果如下:(1)选取浸渍了硝酸镍的MOFs Cu-BTC为前驱体,在氮气气氛下热解得到多孔碳负载的镍铜双金属催化剂(CuNi@C),将其用于糠醛水相催化加氢制备环戊酮的反应,研究不同镍铜摩尔比(02.5)对所得材料物化性质和催化性能的影响。实验结果表明,MOFs前驱体中的有机配体在热解过程中转化为无定型的碳基质,其在高温条件下具有还原性,能够将前驱体中的金属离子还原成单质状态的金属。碳基质的存在既能够减轻热解过程中金属粒子的团聚,得到均匀分散的纳米级的金属颗粒,又能够充当催化材料的载体,在反应过程中可以防止活性金属的团聚和流失,使催化剂具有高的稳定性。最终,以Cu-BTC混合镍盐为前驱体制备的CuNi0.5@C复合催化材料,比表面积高达91.6 m2·g-1,平均金属粒径为15 nm,具有优异的催化活性,在5 MPa、130°C、5 h的条件下,可以取得99.3%的糠醛转化率和96.9%的环戊酮收率。(2)以浸渍了硝酸钴的Cu-BTC为前驱体制备了CuCo/C双金属催化剂,将其用于催化糠醛加氢制备糠醇的反应,考察热解温度和钴铜摩尔比在0到0.5之间对所制备样品结构和性能的影响。结果表明,第二金属钴的加入有利于防止热解过程中金属颗粒的团聚,热解温度主要影响金属的价态、颗粒尺寸和材料的形貌与结构。其中,CuCo0.4/C-600催化剂因金属颗粒尺寸小(平均粒径仅有10 nm),比表面积较高,富含多孔结构,以及金属与氧化物之间的协同作用,表现出了最佳的催化效果,在140°C、3 MPa、1 h的条件下糠醇的收率达到96.4%。(3)通过溶剂法合成了微量碳纳米管(CNTs)掺杂的Ni-MOFs前驱体,热解得到多孔碳负载的镍基催化剂(Ni@C@CNTs),将其用于糠醛催化加氢制备四氢糠醇的反应,研究CNTs的加入对所得材料催化性能的影响。结果表明,CNTs的加入有效地减轻了热解过程中镍元素的团聚,Ni@C@CNTs中镍相关颗粒的平均粒径为6.15 nm;CNTs的加入还在热解过程中引发新的物相Ni3C的生成,这一具有类Pt性质的过渡金属碳化物对加氢反应具有优异的催化活性。在120°C、4 MPa、4 h的条件下,Ni@C@CNTs催化的反应中,糠醛的转化率为99.1%,四氢糠醇的收率达到94.7%。(4)通过原位生长法和浸渍法合成了Ni-BTC MOFs与γ-Al2O3的复合前驱体材料,经过热解分别得到Ni-C-Al2O3和Ni-C/Al2O3催化剂,并用于糠醇加氢转化为四氢糠醇的反应,作为对比还以Ni-BTC为前驱体热解得到Ni-C催化剂,以及镍盐浸渍制备了Ni/Al2O3催化剂,考察不同制备方法得到的镍基催化剂的差异。结果表明,原位生长法可以有效地将Ni-BTC均匀地生长在Al2O3表面,而载体Al2O3与Ni-BTC的结合能够进一步缓减热解过程中金属元素的团聚,Ni-C-Al2O3中金属镍的平均粒径最小,为6.9nm。Ni-C-Al2O3由于较小的活性金属镍粒径以及碳基质对活性位的修饰作用,在120°C、0.5h、4 MPa的条件下,糠醇的转化率为99.9%,四氢糠醇的选择性能够达到98.1%。(5)以MIL-96为载体前驱体,引入硝酸镍得到复合前驱体Ni(NO32/MIL-96,热解得到一系列不同镍负载量的Ni/C-Al2O3催化材料,并用于糠醛催化加氢制备糠醇,探索MOFs作为催化材料前驱体的性能。实验结果表明,由于与载体之间的强相互作用,镍离子不能被完全还原,并且Ni15/C-Al2O3的比表面积只有37 m2·g-1。不同镍负载量的催化剂中,Ni15/C-Al2O3由于具有高分散的催化活性位、合适的金属负载量、以及载体C-Al2O3对活性位的调节作用,表现出最好的催化性能,在160°C、4 MPa、6 h的条件下,糠醛的转化率为98.7%,糠醇的收率达到92%,并且在重复使用过程中也表现出良好的稳定性。
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