表面改性活性炭負載催化劑Pt-Sn/AC的制備及其催化性能

李國峰, 陳 梅, 孔 瑛, 侯影飛*

(1. 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學院 石油與化學工程系，新疆 奎屯 833200;2. 中國石油大學 化學工程學院 重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

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表面改性活性炭負載催化劑Pt-Sn/AC的制備及其催化性能

李國峰1, 陳 梅1, 孔 瑛2, 侯影飛2*

(1. 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學院 石油與化學工程系，新疆 奎屯 833200;2. 中國石油大學 化學工程學院 重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島 266580)

分別將活性炭(AC-1)在65%HNO3和空氣中進行氧化處理，制得兩種表面改性的活性炭載體(AC-2和AC-3)。以AC-1～AC-3為載體，采用等體積分步浸漬法制備了3種Pt-Sn/AC催化劑(Cat-1～Cat-3),其結(jié)構(gòu)經(jīng)XRD, TEM, FT-IR, TG-DTG和N2吸附-脫附表征。以正丁烷脫氫反應(yīng)為模板反應(yīng)，研究了Cat-1～Cat-3的催化性能。結(jié)果表明：Cat-2催化性能最好，正丁烷脫氫轉(zhuǎn)化率71.5%，正丁烯選擇性77.5%。

活性炭載體; 表面改性; Pt-Sn/AC催化劑; 制備; 催化性能

Abstract： The activated carbon(AC-1) was oxidized in 65%HNO3and air, respectively, to afford two kinds of surface modified activated carbons(AC-2 and AC-3). Three Pt-Sn/AC catalysts(Cat-1, Cat-2, Cat-3) were prepared by the volumetric immersion method, using AC-1～AC-3 as the supporters. The structures were characterized by XRD, TEM, FT-IR, TG-DTG and N2physical adsorption. The catalytic properties of Cat-1～Cat-3 were investigated by the reaction ofn-butane dehydrogenation. The results showed that Cat-2 exhibited the best catalytic property withn-butane conversion rate of 71.5% andn-butene selectivity of 77.5%.

Keywords： activated carbon support; surface modification; Pt-Sn/AC catalyst; preparation; catalytic property

正丁烯(包括1-丁烯、順-2-丁烯和反-2-丁烯)為重要的化工原料,廣泛用于生產(chǎn)甲乙酮、丁二烯、仲丁醇和聚α-烯烴等化工產(chǎn)品。催化劑對正丁烷脫氫制備正丁烯的反應(yīng)效果有較大影響，其研究引起了人們的熱切關(guān)注[1-3]。其中，較為有效的催化劑為Pt-Sn/Al2O3，但反應(yīng)涉及裂解和異構(gòu)化等副反應(yīng)，催化劑的選擇性較低[4]。

活性炭(AC-1)是一種具有良好應(yīng)用前景的金屬催化劑載體，其較高的比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)和易于調(diào)變的表面官能團，可使活性組分和助劑在載體表面分散更為均勻，并通過改變活性組分與載體的相互作用，影響催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性[5-8]。在負載型催化劑中，活性金屬的分散情況不僅取決于載體的比表面積和孔結(jié)構(gòu)，載體的表面酸堿性也是重要的影響因素。

AC-1表面因含有某些基團，特別是含氧基團(如羧基)，能夠增強活性炭的親水性，使金屬前驅(qū)體溶液更易接近其表面，有利于金屬前驅(qū)體在載體上的均勻分布,從而加強金屬前驅(qū)體與載體的相互作用，提高金屬的分散度[9-12]。近年來,雖然針對AC-1表面改性及其表面含氧官能團修飾的研究已取得了諸多成果[13-15]，但對AC-1進行表面改性后，制備負載型Pt-Sn貴金屬催化劑，并用于烷烴催化脫氫反應(yīng)的研究尚未見報道。

本文分別將AC-1在65%HNO3和空氣中進行氧化處理，制得兩種表面改性的活性炭載體(AC-2和AC-3);以AC-1～AC-3為載體，采用等體積分步浸漬法制備了3種Pt-Sn/AC催化劑(Cat-1～Cat-3),其結(jié)構(gòu)經(jīng)XRD, TEM, FT-IR, TG-DTG和N2吸附-脫附表征。以正丁烷脫氫反應(yīng)為模板反應(yīng)，研究了Cat-1～Cat-3的催化性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker D8型X-射線衍射儀(掃描電壓40 kV，掃描電流100 mA，水平單色器，掃描步長0.01°·min-1，掃描范圍2θ5～85°)； Hitachi H-600型透射電鏡(加速電壓100 kV); Bruker EQUINOX-55型紅外光譜儀(KBr壓片)；TA SDTQ 600型熱分析儀(空氣氛圍，流量100 mL·min-1，升溫速率10 ℃·min-1，最高溫度1 000 ℃)；SP-3420型氣相色譜[FID檢測烴類物質(zhì),色譜柱為KB-Al2O3/Na2SO4毛細柱(50 m×0.32 mm)，色譜條件：柱溫由50 ℃程序升溫至100 ℃，注樣器100 ℃，檢測器180 ℃,由標準氣產(chǎn)生校正因子定量產(chǎn)物含量]；JW-BK型靜態(tài)氮吸附儀(BET法計算催化劑的比表面積，單點法計算孔體積，BJH法計算孔徑及孔徑分布)。

AC-1(20～30目),上海金湖活性炭有限公司;SnCl4·5H2O, H2PtCl6，天津科密歐化學試劑有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 制備

(1) AC-2和AC-3的制備

在反應(yīng)瓶中加入AC-1和65%HNO3，回流(60 ℃,浴溫)反應(yīng)6 h。用蒸餾水洗滌至中性，烘干得黑色固體AC-2。

將AC-1裝入加熱管，通入空氣進行氧化處理，分段升溫至400 ℃，反應(yīng)12 h得黑色固體AC-3。

(2) Cat-1～Cat-3的制備(以Cat-1為例)

將SnCl40.017 2 mol的去離子水(20 mL)溶液負載于AC-1上，于室溫浸漬過夜。于100 ℃烘干12 h,在氮氣氛圍中于400 ℃焙燒2 h。加入0.122 mol·L-1H2PtCl6溶液2 mL，于室溫反應(yīng)過夜。于100 ℃烘干12 h,在氮氣氛圍中于400 ℃焙燒2 h得黑色固體Cat-1 5 g。

用類似的方法制備黑色固體Cat-2和Cat-3。

1.3 催化性能測試

在石英玻璃微型固定床反應(yīng)器中進行正丁烷脫氫反應(yīng)(圖1)。在石英管反應(yīng)器中加入0.3 g催化劑，氫氣氛圍下以5 ℃·min-1升至350 ℃，反應(yīng)12 h。通入氣化的正丁烷和氫氣(1/1,V/V)，于580 ℃, C4重時空速4 000 h-1,常壓下反應(yīng)。產(chǎn)物通過氣相色譜在線分析。

圖1 催化劑評價裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1) TEM

圖2為AC-1和Cat-1～Cat-3的TEM照片。由圖2可知，Cat-1～Cat-3中均有明顯的活性組分顆粒。但Cat-1的活性組分出現(xiàn)了較為嚴重的團聚現(xiàn)象，Cat-2的活性組分分散均勻，顆粒較小，Cat-3活性組分顆粒明顯大于Cat-2。這是由于濃硝酸氧化和空氣氧化對AC-1表面進行改性處理后引入了大量含氧基團，有助于提高催化劑中活性組分的分散度，降低發(fā)生團聚的幾率。

AC-1Cat-1

(2) FT-IR

圖3為AC-1, AC-2和AC-3的FT-IR譜圖。由圖3可見，(1)AC-2在1 240 cm-1和3 300 cm-1處的吸收峰均明顯增強,表明其表面可能有羧酸、羧酸酐或羧酸酯生成。(2)AC-3在1 100 cm-1處的吸收峰明顯增強,表明其表面可能有環(huán)醚和內(nèi)酯生成,在1 550 cm-1處的吸收峰也增強,該處吸收峰為醌的特征峰[17-18]。

ν/cm-1

根據(jù)FT-IR的分析結(jié)果可知，AC-1經(jīng)過表面處理后，形成了含氧官能團。濃硝酸氧化處理后,AC-2表面主要形成羧酸和羧酸酐等官能團。由于羧基是含氧基團中酸性最強的基團，可以在一定程度上增強活性碳的表面酸性，從而更加有利于正丁烷脫氫[19]。空氣氧化處理后，AC-3表面主要形成了醚、內(nèi)酯和醌類等含氧基團，這些基團是含氧基團中酸性相對較弱的基團，對表面酸性的影響較小。

(3) XRD

圖4為Cat-1～Cat-3的XRD譜圖。由圖4可見，(1) 3種催化劑的XRD譜圖基本一致，這說明使用濃硝酸和空氣對活性炭表面進行改性處理后，并沒有破壞AC-1的晶型結(jié)構(gòu)；(2) 2θ44.5°處的吸收峰為鉑的特征衍射峰，說明負載于3種活性炭載體上的鉑具有金屬鉑的晶體結(jié)構(gòu)特征；(3) Cat-2和Cat-3的半高峰寬明顯大于Cat-1，說明Cat-2和Cat-3中金屬鉑的分散度大于Cat-1。由XRD分析結(jié)果可見，使用濃硝酸和空氣對AC-1表面進行改性處理，有助于提高催化劑中金屬鉑粒子的分散度。

2θ/(°)

(4) TG-DTG

圖5為AC-1～AC-3的TG-DTG曲線。由圖5可見，3種樣品的總失重率依次為：AC-3(25%)>AC-1(12%)>AC-2(11%)。這說明，濃硝酸和空氣氧化處理后，失重量降低，濃硝酸處理效果更好。100 ℃附近為物理吸附水的失重，100～300 ℃為化學結(jié)合水和吸附的有機物的失重。隨著溫度升高，表面含氧基團開始分解，出現(xiàn)不同的失重峰。AC-1在800 ℃有較大失重峰，可能是連接在炭結(jié)構(gòu)六元環(huán)羰基分解所致，也可能是六元環(huán)上殘留的鏈狀烴的脫除所致。AC-2在800 ℃的重量基本不變。AC-3在800 ℃時出現(xiàn)了明顯的失重峰，可能是內(nèi)酯、環(huán)醚和醌基團分解所致[9]。

Temperature/℃

Temperature/℃

Temperature/℃

(5) N2吸附-脫附

圖6和表1分別為AC-1～AC-3的N2吸附-脫附曲線和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖6可見，AC-1～AC-3均表現(xiàn)出典型的Ⅳ型吸附等溫線特征，H2型回滯環(huán)[16]，表明Cat的孔道為“墨水瓶”型介孔結(jié)構(gòu)，孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不相連的或相對獨立的，孔徑分布和孔的形狀界限不明顯。由圖6還可見，AC-1～AC-3的孔徑分布主要集中在2～5 nm，說明AC-1改性后是介孔型的。此外，與AC-1相比，AC-2的孔徑分布變窄，AC-3的孔徑分布更廣。

P/P0

Pore diameter/nm

CompABET/m2·g-1VBJH/cm3·g-1DBJH/nmAC-1541.580.255472.10784AC-2495.630.194851.81216AC-3606.280.268492.15739

由表1可以看出，AC-2的比表面積、總孔容和平均孔徑較AC-1均有所下降，這是因為濃硝酸的氧化作用破壞了部分孔壁，導(dǎo)致活性炭孔結(jié)構(gòu)塌陷。與AC-2相反，AC-3的比表面積、總孔容和平均孔徑均增加，這是由于活性炭在空氣氧化處理過程中，部分封閉孔的孔口堵塞物消失，微孔擴大。中孔和大孔發(fā)生坍塌形成了較多微孔，也是使比表面積和平均孔徑增加的重要因素[9]。

2.2 催化性能

圖7為Cat-1～Cat-3的催化性能。由圖7可以看出，Cat-1～Cat-3催化下的初始轉(zhuǎn)化率分別為47.5%, 72.1%和73.5%;隨反應(yīng)時間延長，正丁烷轉(zhuǎn)化率均稍有降低。由圖7還可以看出，正丁烯選擇性隨反應(yīng)時間呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，Cat-2的選擇性最好(77.5%)。

Time/h

Time/h

以活性炭載體(AC-1)為原料，制備了兩種表面改性的活性炭載體(AC-2和AC-3)。以AC-1～AC-3為載體，采用等體積分步浸漬法制備了3種Pt-Sn/AC催化劑(Cat-1～Cat-3)。以正丁烷脫氫反應(yīng)為模板反應(yīng)，研究了Cat-1～Cat-3的催化性能。結(jié)果表明：Cat-2催化性能最好，正丁烷脫氫轉(zhuǎn)化率71.5%，正丁烯選擇性77.5%。

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PreparationofSurfaceModifiedActivatedCarbonLoadedCatalystsPt-Sn/AcandTheirCatalyticProperties

LI Guo-feng1, CHEN Mei1, KONG Ying2, HOU Ying-fei2*

(1. Department of Petro and Chemical Engineering, Xinjiang Vocational and Technical College of Application, Kuitun 833200, China; 2. State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

O62

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.10.16319

2016-12-21;

2017-06-05

國家自然科學基金資助項目(51173203); 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(15CX05014A); 山東省自然科學基金資助項目(ZR2012BL15)

李國峰(1987-),男,漢族,甘肅武威人,碩士研究生,主要從事工業(yè)催化的研究。 E-mail: 419987266@qq.com

侯影飛,博士,副教授, E-mail: 1312588441@qq.com