共沉淀法制備鈦鋯復合載體及其在加氫脫硫催化劑中應用的探討

李慧遠，周 宬，祝社民，沈樹寶

（南京工業大學材料科學與工程學院材料化學工程國家重點實驗室，南京210009）

共沉淀法制備鈦鋯復合載體及其在加氫脫硫催化劑中應用的探討

李慧遠，周 宬，祝社民，沈樹寶

（南京工業大學材料科學與工程學院材料化學工程國家重點實驗室，南京210009）

采用共沉淀法制備了n（TiO2） : n（ZrO2）=4 : 1，3 : 2，1 : 1，2 : 3，1 : 4的鋯鈦復合氧化物及單一TiO2、ZrO2氧化物，并用浸漬法制備了10% MoO3/TiO2-ZrO2，10% MoO3/TiO2，10% MoO3/ZrO2催化劑。用X射線衍射、N2吸附方法對催化劑進行表征，在間歇式高壓反應釜上進行活性評價。結果表明，550 ℃煅燒2 h后，TiO2-ZrO2（1 : 1），TiO2-ZrO2（2 : 3），TiO2-ZrO2（3 : 2）為無定型，其余載體出現不同程度的結晶。復合氧化物的比表面積均大于單一氧化物，其中TiO2-ZrO2（1 : 1）的比表面積最大（191.20 m2/g）。以噻吩的加氫脫硫反應作為模型反應來評價催化劑的活性，結果表明催化劑的活性隨著ZrO2在復合載體中含量的增加而呈先升后降的變化趨勢，其中10% MoO3/TiO2-ZrO2（1 : 1）的活性最高，單一ZrO2載體催化劑的活性最低。

加氫脫硫催化劑 共沉淀法 鈦鋯復合載體

1 前 言

近年來，環保法規對車用燃油中的硫含量要求越來越嚴格[1-2]，另一方面，原油中有機硫含量日益增長[2]，這對加氫脫硫催化劑提出了更高的要求。在這種情況下，TiO2-ZrO2復合氧化物作為加氫脫硫催化劑載體得到了廣泛關注。與單一的TiO2和ZrO2載體相比，它具有熱穩定性、分散性好、比表面積大等優點[3-4]。與傳統載體γ-A l2O3相比，它在反應前不需要預硫化[5]，而且反應活性要高[6]。TiO2-ZrO2復合載體常用的合成方法有溶膠-凝膠法[7]、均勻沉淀法[8]，但溶膠凝膠法的原料比較昂貴，制備過程相對繁瑣，難以實現大規模生產，均勻沉淀法的周期較長且需加熱，而共沉淀法操作簡單、技術成熟[9]。因此，本研究選用共沉淀法，以ZrOCl2·8H2O和TiCl4為原料，NH3·H2O為沉淀劑，月桂酸為造孔劑，制備一系列不同摩爾比的鈦鋯復合氧化物，在550 ℃下煅燒2 h后得到載體，以（NH4）6Mo7O24·4H2O為前軀體采用浸漬法負載，在500 ℃下煅燒2 h得到MoO3負載量為10%（質量分數，以下同）不同載體的催化劑，分別用BET、XRD等手段對催化劑的晶型、結構以及熱穩定性能等進行表征，并用模型化合物對其加氫脫硫活性進行評價。

2 實 驗

2.1 TiO2-ZrO2復合載體的制備

實驗用主要原料：ZrOCl2·8H2O，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產；TiCl4，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司生產；NH3·H2O，分析純，上海中試化工總公司生產；月桂酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產；去離子水。

配制ZrOCl2溶液和TiCl4溶液，濃度均為0.5 mol/L，按照n（TiO2） : n（ZrO2)=4 : 1，3 : 2，1 : 1，2 : 3，1 : 4，采用量體積的方法得到鈦鋯前驅體的混合溶液，記為A。配制5 mol/L的氨水溶液，加入一定量的月桂酸作為造孔劑。在劇烈攪拌下將A溶液慢慢滴入氨水溶液中直到pH值為8～9，得到白色沉淀。室溫下老化2 h，濾去上層多余的液體，用去離子水洗滌3～6次，用AgNO3溶液檢驗直到沒有氯離子，抽濾得到沉淀物質，于烘箱中110 ℃烘干24 h，所得粉體用擠條機成型，在不同溫度下煅燒2 h得到樣品。同時采用相同的方法制備單一的TiO2和ZrO2，將復合氧化物TiO2-ZrO2（4 : 1），TiO2-ZrO2（3 : 2），TiO2-ZrO2（1 : 1），TiO2-ZrO2（2 : 3），TiO2-ZrO2（1 : 4）分別記做TZ41，TZ32，TZ11，TZ23，TZ14。

2.2 催化劑的制備

采用等體積浸漬法制備催化劑。催化劑活性組分的前驅體為（NH4）6Mo7O24·4H2O。制備過程：測定制備載體的飽和吸水量，將計算量的（NH4）6Mo7O24·4H2O（以浸漬Mo的量計）溶解在使一定量載體正好完全浸漬所需的去離子水中。在室溫下浸漬24 h，干燥后放入馬弗爐中500 ℃下煅燒2 h得到催化劑。將得到負載量為10%的催化劑MoO3/TiO2，MoO3/ZrO2，MoO3/TZ41，MoO3/TZ32，MoO3/TZ11，MoO3/TZ23，MoO3/TZ14分別表示為MT，MZ，MTZ41，MTZ32，MTZ11，MTZ23，MTZ14。

2.3 催化劑的活性評價

以噻吩HDS反應為探針反應，采用間歇式操作的釜式全混反應器測定催化劑的活性，反應物由質量分數為2.5%的噻吩十氫萘溶液組成，操作壓力為3.6 MPa，操作溫度為210～330 ℃。用10 μL微量進樣器進樣，采用島津公司的GC-2014氣相色譜儀分析原料和產物組成。分析條件：Rtx-1色譜柱，FID檢測，外標法定量。催化劑的活性用脫硫率（即噻吩的轉化率）描述。

2.4 儀器與表征

采用瑞士ARL全自動X射線衍射儀進行樣品的XRD物相分析，掃描范圍為10°～70°，采用CuKα源（入射光波長為0.154 nm）在40 kV加速電壓、40 mA的電流強度下，掃描步長為0.02°。采用美國M icromeritics公司的ASAP2020 型全自動物理化學吸附儀測定樣品的比表面積和孔徑分布，用BET法計算比表面積，用BJH法計算孔徑分布和孔體積。

3 結果與討論

3.1 比表面積和孔徑測定

圖1是所有載體的N2吸附-脫附等溫線，從圖1可以看出，所有載體的吸附等溫線均為Ⅳ型，證明樣品中含有的大部分孔為中孔[10]，從孔徑分布圖以及平均孔徑數值（表1）上也可以看出這一點。按照IUPAC關于滯后環的分類來看，TZ11，TZ23，TZ32的滯后環的形狀大致與H2型接近，其相應的典型孔結構是口小腔大的孔，其余樣品的滯后環傾向于H1型，對應于兩端開口的毛細孔[11]。

表1是所有樣品的比表面積和孔徑分布，從表1可以看出，550 ℃煅燒2 h后復合氧化物的比表面積均大于單一氧化物，其中TZ11的比表面積最大，TZ23和TZ32的比表面積也比較大，與TZ11相差不大，這與它們的無定型結構是一致的。與其它復合氧化物相比，TZ14的比表面積小得多，這可能是由于復合氧化物中Zr含量較高時容易引起燒結，H Zou[12]和Manríquez M E等[13]也得到了類似的結論。

圖1 載體的吸附脫附等溫線

表 1 載體的比表面積和孔徑分布

3.2 催化劑的晶相分析

3.2.1 復合載體的XRD分析 圖2是5種不同摩爾比的鈦鋯復合氧化物以及TiO2、ZrO2于550 ℃下煅燒2 h后的XRD圖譜。從圖2可以看出，550 ℃煅燒后，TiO2和ZrO2結晶良好，分別對應銳鈦礦和單斜相（含少量四方相）晶型。TZ11，TZ23，TZ32沒有明顯的特征峰，是無定型結構，這種無定型結構導致這3種載體具有較大的比表面積（表1）。TZ41在25o左右出現銳鈦礦的特征峰（JCPD卡NO.1-562），TZ14出現了單斜相和ZrTiO4（JCPD卡NO.7-290）的特征峰。從XRD圖看，雖然TZ41和TZ14出現了不同程度的結晶，但是對比于單一氧化物，二者結晶度較小，依然表現出了無定型的特征，這說明鈦鋯的相互摻雜提高了彼此的晶化溫度，并且鈦鋯的摩爾量越接近越能表現無定形態，這一點從樣品的比表面積也可看出。

3.2.2 催化劑焙燒后的晶相分析 圖3是7種不同載體的催化劑于500 ℃下煅燒2 h后的XRD圖譜。從圖3可以看出，催化劑MTZ11，MTZ23，MTZ32是無定形態，MTZ41的結晶度也不高，并且都沒有活性組分MoO3的特征峰出現，但在催化劑MT，MZ，MTZ14的圖譜上看到了MoO3（JCPD卡NO.1-706）的特征峰。晶態的MoO3形成或許和它們的比表面積比較小有關，10%的MoO3超出了在小的比表面積（83.468 m2/g）下形成單層分散所需的最大量。總之，復合載體的無定形態要比結晶態更明顯（特別是含TiO2多的復合載體），10%的活性組分負載在復合載體上看不到MoO3的特征峰，MoO3很好地分散在大比表面的復合載體上。

3.3 催化劑對噻吩的活性評價

3.3.1 不同鈦鋯摩爾比載體對催化劑活性的影響分別采用TiO2、ZrO2和不同鈦鋯摩爾比的復合載體考察催化劑的加氫脫硫活性，反應在300 ℃、3.6 MPa的條件下進行，催化劑的活性用噻吩的轉化率表示，反應結果如圖4所示。從圖4可以看出，在相同的活性組分含量和反應條件下，不同載體的催化劑的活性隨ZrO2含量的增加呈先升后降的變化趨勢，其中ZrO2的摩爾分數為50%時活性最高，為73.73%，單一ZrO2載體催化劑的活性最低。這一結果與樣品的BET和XRD分析結果相吻合，增大催化劑的比表面積有利于提高催化劑的活性。

3.3.2 反應溫度對催化劑活性的影響 采用ZrO2摩爾分數為50%的MTZ11催化劑，考察反應溫度對催化劑活性的影響，結果見圖5。從圖5可以看出，催化劑的活性隨著操作溫度的升高而逐漸提高，到330 ℃時，活性達到78.04%。對于此反應，溫度升高能提高催化劑的活性，但從節能和實際操作出發，330 ℃是一個比較高的溫度，再升高反應溫度對催化劑活性提高的實際意義不大。

圖5 不同溫度下MoO3/TiO2-ZrO2（1 : 1）催化劑的加氫脫硫活性

4 結 論

（1）在550 ℃煅燒2 h后，TZ11，TZ23，TZ32依然保持了無定型結構，TZ41和TZ14部分結晶，而TiO2和ZrO2則結晶良好，鈦鋯的相互摻雜提高了彼此的晶化溫度。

（2）在550 ℃煅燒2 h后得到的樣品均為介孔材料，復合氧化物的比表面積均大于單一氧化物，其中TZ11的比表面積最大，為191.20 m2/g。

（3）以鈦鋯摩爾比為1 : 1的復合氧化物為載體的加氫脫硫催化劑具有最高的活性，催化劑的活性隨著反應溫度的升高而逐漸提高。

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Abstract TiO2，ZrO2and composite titanium-zirconium oxides w ith various Ti to Zr molar ratios （4 : 1，3 : 2，1 : 1，2 : 3 and 1 : 4） were prepared by coprecipitation method, and active components （10% MoO3）were impregnated on these supports to form relative catalysts.These catalysts were characterized by X-ray diffraction，nitrogen adsorption and their hydrodesulfurization activities were evaluated using a high-pressure reactor.Results showed that after calcination at 550 ℃ for 2 h，TiO2-ZrO2（1 : 1），TiO2-ZrO2（2 : 3） and TiO2-ZrO2（3 : 2） supports were all amorphous，the other two supports exhibited certain crystallization.In comparison w ith the single metal oxide，m ixed oxides had larger surface areas，among them the surface area of TiO2-ZrO2（1 : 1） was the largest （191.2 m2/g）.Thiophene hydrodesulfurization was taken as the model reaction for evaluating the HDS activities of these catalysts. It was found that HDS activities increased w ith the increase of zirconia content in m ixed oxides and a maximum activity was observed for the 10% MoO3/ TiO2-ZrO2（1 : 1） catalyst.With further increase of zirconia content，the catalytic activities decreased and the minimum activity belonged to the catalyst using ZrO2support.

Key Words：hydrodesulfurization catalyst；coprecipitation method；composite titanium-zirconium oxide support

英國航空公司將于2014年使用費-托合成生物噴氣燃料

英國航空公司與美國Solena集團合作，于2010年2月15日宣布，將建設歐洲第一套生產可持續噴氣燃料裝置，并于2014年使其機群使用低碳的費-托合成生物噴氣燃料。

該可持續噴氣燃料裝置將使廢棄生物質進行氣化，并采用費-托工藝將得到的合成氣轉化成生物噴氣燃料，同時也作為石化工業的原料。該裝置將建在倫敦東部，將通過該工藝過程，使500 kt/a廢棄生物質轉化成綠色噴氣燃料，該工藝過程與化石燃料生產噴氣煤油相比，可使溫室氣體減排高達95%。

英國航空公司業已簽署從該裝置購買全部生產的生物噴氣燃料協議，該裝置將由Solena集團公司建設，Solena集團公司是總部在美國華盛頓的生物能源和生物燃料公司。

Solena集團解決方案的核心是其專利的Solena等離子氣化（SPG）技術，該技術可通過生物基烴類熱轉化過程來生產合成燃料氣體（BioSynGas）。

Solena等離子矩氣化玻璃化（PGV）反應器在5 000 ℃的溫度下工作，可有效地使所有烴類和有機物料完全分裂成為它們的基礎化合物，這些基礎化合物再被轉化成合成氣。Solena氣化器在底部設置有等離子矩，可使進料中的無機物玻璃化，生成玻璃狀聚集料，即等離子熔渣，可用作建筑材料。并使用碳基催化劑提高等離子矩以上床層中的氣化程度。

在高的等離子溫度下，PGV反應器不會產生任何空氣污染物，如SVOCs（二英/呋喃）或者NOx、焦油、飛灰或煙氣，也不產生灰渣，所有固定碳也在等離子溫度下被解聚。該裝置將釋放出氧，以及少量氮、氬、蒸汽和CO2。費-托合成尾氣可用于產生20 MW的電力，外輸給國家電網，或用于發生蒸汽，應用于地區采暖等。因該裝置生產可再生能源和燃料，總CO2排放減少量約為550 kt/a。

[章文摘譯自Green Car Congress，2010-02-15]

PREPARATION OF COMPOSITE TITANIUM-ZIRCONIUM OXIDES AND THEIR APPLICATION IN HYDRODESULFURIZATION CATALYST

Li Huiyuan，Zhou Cheng，Zhu Shem in，Shen Shubao
（State Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering，College of Material Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009）

2009-10-22；修改稿收到日期：2010-01-11。

李慧遠（1983—），男，在讀碩士研究生。