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Co/C氨合催化剂的制备及其在旋转磁场下的催化性能研究

作　者: 薛金召
导　师: 刘瑞泉
学　校: 新疆大学
专　业: 化学
关键词: 钴基催化剂合成氨旋转磁场作用催化活性
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文致力于寻找一种比铁氨合催化活性高且价格比钌低廉的新型金属氨合成催化剂。从氨合成速率与N-M结合能之间函数关系出发,选用Co作为氨合催化剂活性组分,并以添加有效助剂的方式优化其催化性能。采用N2物理吸附、透射电镜(TEM)、X-射线粉末衍射、能量色散X射线光谱仪(EDS)、酸度计等表征手段初步考察了催化剂制备工艺、载体预处理及助剂组成对Co/C体系催化剂物理化学性能的影响,并在旋转磁场下评价其催化活性。制备工艺对催化剂性能的影响:采用超声浸渍法、添加助剂前还原-钝化-焙烧制备Co/C体系负载型催化剂,结果发现:在浸渍过程中施加超声波辐照,可以缩短浸渍时间,抑制浸渍液Co(NO3)2形成胶束,有利于金属颗粒的细化,减小金属粒径尺寸,消除团聚现象,疏通活性组分孔道,提高其在载体表面的分布状态。增大催化剂比表面积、孔容及孔径,从而增强催化剂表面对氮、氢分子的活化能力。440℃下氨合速率可提高4.8 %。添加助剂Ba前,还原-钝化再经焙烧的Co/C催化剂,金属钴在焙烧过程中与空气中的氧可能生成了钴氧化物,活性组分钴与充氧的活性炭载体之间存在较强烈的相互作用,从而引起钴颗粒在载体上的再分散。活性测试结果证明,相同条件下Ba-CoR+P+C/C催化剂的氨合速率比Ba-CoR+P/C高15 %。炭载体不同处理对催化剂活性的影响:活性炭经900℃氢气氛处理,消除了高电负性吸电子基团,其比表面积、孔容与起始炭材料相比,基本保持不变,但并未出现石墨化迹象。而进一步经5 M的硝酸-氨水改性后,中孔数目及孔容有所增加,比表面积比提高近15 %。炭载体的亲水性增强,改善了金属Co在炭表面的分散度。测试结果表明,以高温氢气氛-硝酸-氨水处理的活性炭为载体的催化剂活性最高为7.15μmol·s-1·g-1,可使催化活性提高15 %。助剂的促进作用与促进剂的碱性强弱相一致。Ba是Co/C体系氨合催化剂中最为有效的助剂,其次为Ce>La>K,当Co的负载量为8 wt %时,Ba、K、La、Ce与Co物质的量比分别为0.8,0.45,0.4,0.6时,催化剂活性达到最高,进一步提高助剂含量,氨合成活性有所下降。且双助剂的促进作用比单助剂好。旋转磁场对Co催化剂性能影响:旋转磁场可使金属Co磁化,增加混合气体在催化剂表面的吸附活化能力,磁场效应可解除氢键的缔合作用,对加速反应起辅助作用,能缩短活性达到最高值的时间。加快产物从催化剂表面脱落的速度,氮分子活化后,提高自由基反应的速率和转化率。结果表明,440℃,氮氢混合气流量45 ml/min(V N2:V H2=1:3)时,30 V旋转磁场的作用下,氨合成速率可提高约2 %。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章文献综述  10-34
  1.1 引言  10-12
  1.2 氨合成催化剂研究进展  12-20
    1.2.1 铁基氨合催化剂  12-16
      1.2.1.1 早期的氨合成催化  12-13
      1.2.1.2 传统Fe_3O_4基熔铁催化剂  13-15
      1.2.1.3 FeO 基氨合催化催化剂  15-16
    1.2.2 钌基氨合催化剂  16-17
    1.2.3 钴基氨合催化剂  17
    1.2.4 合金型催化剂  17-20
      1.2.4.1 金属间化合物氨合催化剂  17-19
      1.2.4.2 负载金属间化合物氨合催化剂  19
      1.2.4.3 非晶态氨合催化剂  19-20
  1.3 负载型氨合成催化剂  20-27
    1.3.1 载体  20-25
      1.3.1.1 活性炭  20-21
      1.3.1.2 金属氧化物  21-23
      1.3.1.3 沸石分子筛  23-24
      1.3.1.4 其他载体  24-25
    1.3.2 助剂  25-27
  1.4 合成氨新催化剂技术  27-30
    1.4.1 光催化合成氨  27
    1.4.2 电催化常压合成氨  27-28
    1.4.3 酶催化室温合成氨  28-29
    1.4.4 超声波合成氨  29-30
  1.5 磁场效应对化学反应的影响  30-32
  1.6 超声波在催化中的应用  32-33
    1.6.1 制备纳米材料  32
    1.6.2 超声在负载型催化剂制备中的应用  32-33
    1.6.3 超声在多相催化反应中的应用  33
  1.7 选题依据与目的  33-34
第二章 Ba-Co/AC 氨合催化剂的制备及其在旋转磁场作用下的催化性能  34-47
  2.1 前言  34-35
  2.2 实验部分  35-37
    2.2.1 催化剂制备  35-36
    2.2.2 催化剂表征  36-37
    2.2.3 催化剂活性评价  37
  2.3 结果与讨论  37-42
    2.3.1 超声波对浸渍速度的影响  37-38
    2.3.2 Ba-Co/AC 对合成氨的催化活性影响  38
    2.3.3 超声浸渍对催化剂表面的影响  38-39
    2.3.4 催化剂XRD 分析  39-40
    2.3.5 催化剂TEM  40-42
  2.4 氨气的合成与测量  42-46
    2.4.1 温度对Ba-Co/AC 氨合催化剂活性影响  42-43
    2.4.2 超声波浸渍对Ba-Co/AC 氨合催化剂活性影响  43-44
    2.4.3 旋转磁场与电场对Ba-Co/AC 氨合催化剂活性影响  44-46
    2.4.4 还原-钝化在焙烧对Ba-Co/AC 氨合催化剂活性影响  46
  2.5 小结  46-47
第三章旋转磁场作用下活性炭载体对Co/C 氨合催化剂催化性能的影响  47-59
  3.1 前言  47-49
  3.2 实验部分  49-50
    3.2.1 催化剂制备  49
    3.2.2 催化剂表征  49-50
    3.2.3 催化剂活性评价  50
  3.3 结果与讨论  50-55
    3.3.1 活性碳载体表面结构  50-51
    3.3.2 催化剂XRD 物相分析  51-53
    3.3.3 催化剂TEM 分析  53-55
  3.4 氨气的合成与测量  55-57
    3.4.1 活性炭对催化剂性能的影响  55-56
    3.4.2 旋转磁场作用对催化剂性能的影响  56-57
  3.5 小结  57-59
第四章助剂对Co/C 氨合催化剂活性的影响  59-66
  4.1 前言  59-60
  4.2 实验部分  60-61
    4.2.1 催化剂制备  60
    4.2.2 催化剂活性评价  60-61
  4.3 结果与讨论  61-63
    4.3.1 单助剂催化剂  61-62
      4.3.1.1 助剂Ba  61
      4.3.1.2 助剂K  61
      4.3.1.3 助剂la_2O_3和CeO_2  61-62
    4.3.2 多助剂催化剂  62-63
  4.4 助剂对催化剂活性影响因素分析  63-65
  4.5 小结  65-66
第五章结论与展望  66-68
参考文献  68-81
致谢  81-82
读研期间发表论文情况  82

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