插層結(jié)構(gòu)水滑石前驅(qū)體制備Cu/ZnO/Al2O3 催化劑及其甲醇合成催化性能

孔令奇 ，NARKHEDE Nilesh ，劉瑞琴 ，李 忠 ，鄭華艷

（太原理工大學(xué) 省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

Cu/ZnO/Al2O3催化劑是工業(yè)化合成甲醇的主要催化劑。反應(yīng)過程中，隨著反應(yīng)溫度升高，催化劑中活性組分Cu 顆粒會發(fā)生團(tuán)聚長大，降低Cu 有效比表面，導(dǎo)致活性位數(shù)量減少，造成催化劑失活問題[1]。而通過添加載體和助劑的方式不僅可以提高催化劑活性，而且在一定程度上能夠抑制活性Cu 物種的團(tuán)聚長大。Prieto 等[2]通過將銅鋅組分引入到SBA-15 中，活性金屬顆粒在分子篩三維納米空間均勻分布，增強(qiáng)活性Cu 物種與載體的結(jié)合力，減緩活性組分團(tuán)聚長大，催化壽命較長。Behrens 等[3]指出，Ga、Cr、Mg、Al 等元素扮演結(jié)構(gòu)和電子載體的雙重角色。將適量濃度的載體元素?fù)诫s到前驅(qū)體物相中，有利于催化劑中Cu 物種的分散，同時，載體元素也可以改變ZnO的缺陷位點(diǎn)和還原，進(jìn)而改變金屬載體間的相互作用影響活性Cu 物種的催化活性。Narkhede 等[4]采用同晶取代法將Al3+離子引入前驅(qū)體(Cu1-xZnx)2(OH)2CO3晶格中，提高Cu 的“稀釋”效果，減小了催化劑中CuO 的平均晶粒尺寸，同時Al 促進(jìn)了ZnO晶格中氧空位的形成，增加了Cu 表面上的還原態(tài)鋅物種ZnOx，進(jìn)一步增強(qiáng)了Cu/ZnOx之間的協(xié)同作用，抑制銅晶粒的長大。因此，開發(fā)既可以對活性Cu 物種產(chǎn)生限域作用，又能增強(qiáng)Cu/ZnO 協(xié)同作用的銅基催化劑是目前研究熱點(diǎn)。

由于水滑石（LDH）前驅(qū)體結(jié)構(gòu)和組成的可調(diào)變性，使得其在催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。LDH 材料具有相對較弱的層間結(jié)合力，使其具備極強(qiáng)的插層能力。將具有催化活性的客體陰離子引入LDH 層間，通過主體層板與客體間的氫鍵作用，不僅可以實(shí)現(xiàn)活性位點(diǎn)在層間的有序排布，增大活性物種的分散度，同時LDH 層板可以對層間活性物種產(chǎn)生限域作用。焙燒后的LDH 前驅(qū)體，其層間陰離子脫除，層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，由于“拓?fù)湫?yīng)”的存在，水滑石片層形貌并未發(fā)生變化，得到的金屬氧化物高度混合，使金屬原子在原子層面上高度均勻分散，從而提高催化劑活性及穩(wěn)定性。雒京等[6]分別制備了含Cu2+、Cr3+的磺化Salen金屬配合物插層MgAl-LDH 的催化劑，在用于甘油催化氧化制備二羥基丙酮（DHA）的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，含Cr3+和Cu2+的催化劑均有利于H2O2活化，而含Cu2+催化劑更利于甘油脫氫，DHA 選擇性較高。吳雁等[7]采用離子交換法合成了不同Mg/Al物質(zhì)的量比的12-磷鎢酸（H3PW12O40,HPW）插層水滑石，由于HPW 插層水滑石具有較強(qiáng)的酸性和較大的比表面積，使其原油催化酯化脫酸反應(yīng)活性明顯優(yōu)于插層水滑石。Miao 等[8]采用離子交換法將金屬Pd 以的形式引入MgAl-LDH 層間，與采用浸漬法將Pd 負(fù)載在MgAl-LDH 層板進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，Pd 顆粒在層間得以控制，而在層板上的Pd 顆粒則明顯長大。Barrabés 等[9]采用共沉淀法，將Cu 和Pt 同時以絡(luò)合陰離子的形式插入MgAl-LDH 層間，通過改變兩者的物質(zhì)的量比制備了不同的雙金屬Cu-Pt 插層水滑石前驅(qū)體，發(fā)現(xiàn)其分散度、比表面積和熱穩(wěn)定性較其它前驅(qū)體均有明顯提高。由此可見，通過將高度分散的活性客體陰離子插層到水滑石層間，與層板主體組裝成新型復(fù)合前驅(qū)體材料，可以顯著增強(qiáng)催化劑的活性和熱穩(wěn)定性。

本文利用水滑石層間限域作用，采用共沉淀法、離子交換法、焙燒復(fù)原法等方法將活性Cu 物種以陰離子形式引入ZnAl-LDH 層間制備插層結(jié)構(gòu)水滑石前驅(qū)體，經(jīng)焙燒還原后得到Cu-ZnAl-LDO 催化劑。通過XRD、TEM、ICP、N2物理吸附-脫附、H2-TPR 和N2O-H2氧化還原滴定等表征手段對前驅(qū)體及催化劑結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，考察了插層結(jié)構(gòu)的Cu-ZnAl-LDO 催化劑應(yīng)用于CO/CO2加氫制甲醇反應(yīng)中的催化穩(wěn)定性能，研究了制備方法對Cu-ZnAl-LDO 催化劑插層結(jié)構(gòu)性質(zhì)及性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑及氣體

硝酸銅（Cu(NO3)2·3H2O，AR 級，天津市科密歐化學(xué)試劑公司），硝酸鋅（Zn(NO3)2·6H2O，AR 級，天津市科密歐化學(xué)試劑公司），硝酸鋁（Al(NO3)3·9H2O，AR 級，天津市科密歐化學(xué)試劑公司），NaOH和無水Na2CO3（AR 級，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；Na2C2O4（AR 級，天津市歐博凱化工有限公司）；合成氣（99.99%，大連大特氣體有限公司）；氮?dú)猓?9.99%，太原鋼鐵有限公司）；氫氣（99.99%，太原鋼鐵有限公司）。

1.2 樣品的制備

1.2.1 Na2Cu(C2O4)2·2H2O 的制備

準(zhǔn)確稱取10 g Na2C2O4溶于350 mL 去離子水中，待完全溶解后加入一定量的Cu(NO3)2·3H2O，攪拌至完全溶解，呈深藍(lán)色透明溶液，密封，低溫條件下靜置24 h。當(dāng)藍(lán)色針狀晶體全部析出后，用去離子水抽濾，并用無水乙醇洗滌，最后置于80 ℃真空烘箱里干燥，即得藍(lán)色針狀晶體Na2Cu(C2O4)2·2H2O。

將Zn(NO3)2·6H2O 與Al(NO3)3·9H2O 以 物 質(zhì) 的量比為2∶1 混合溶于40 mL 去離子水中，配制100 mL、2 mol/L 的NaOH 溶液作為沉淀劑，然后在室溫下將兩溶液并流滴加到裝有70 mL NaNO3溶液的三口燒瓶中，全程使用煮沸的去離子水，且保持N2氣氛，控制溶液pH = 9.5 ± 0.1，待滴加完成后，繼續(xù)室溫?cái)嚢? h，最后離心，洗滌，80 ℃真空干燥12 h，經(jīng)研磨，即得白色粉末狀 ZnAl--LDH。上述制備過程中使用的水均為先煮沸再冷卻的去離子水，以去除水中少量的CO2。

將Zn(NO3)2·6H2O 與Al(NO3)3·9H2O 以 物 質(zhì) 的量比為2∶1 混合溶于100 mL 去離子水中，配制200 mL、2 mol/L NaOH 和Na2CO3的混合溶液作為沉淀劑，然后在室溫下將兩溶液并流滴加到裝有100 mL 去離子水的三口燒瓶中，控制溶液pH =10.0 ± 0.1，待滴加完成后，繼續(xù)室溫老化12 h，最后離心，洗滌，80 ℃真空干燥12 h，經(jīng)研磨，即得白色粉末狀 ZnAl--LDH。最后稱取一定量的ZnAl--LDH于馬弗爐中500 ℃焙燒4 h，得到ZnAl-LDO 樣品。

1.2.4 共沉淀法制備CP-Cu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑[10]

將Zn(NO3)2·6H2O 與Al(NO3)3·9H2O 以 物 質(zhì) 的量比為2∶1 混合溶于200 mL 去離子水中，配制100 mL、1 mol/L 的NaOH 溶液作為沉淀劑，然后在室溫下將兩溶液并流滴加到裝有Na2Cu(C2O4)2·2H2O 晶體的三口燒瓶中，其中，Cu/Al 原料物質(zhì)的量比為0.5，全程使用煮沸后冷卻的去離子水，且保持N2氣氛，控制溶液pH = 9.0 ± 0.1。待滴加完成后，繼續(xù)在35 ℃的水浴鍋中攪拌48 h，然后離心，洗滌至溶液呈中性，置于80 ℃真空烘箱干燥12 h，即得淡藍(lán)色CP-Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體。最后將該前驅(qū)體置于350 ℃的馬弗爐里焙燒4 h，即得CPCu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑。

1.2.5 離子交換法制備IE-Cu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑[11]

稱取Na2Cu(C2O4)2·2H2O 晶體溶于200 mL 去離子水中，將其滴加到裝有ZnAl-LDH 粉末的三口燒瓶中，其中Cu/Al 原料物質(zhì)的量比為0.5，全程使用煮沸后冷卻的去離子水，保持N2氣氛。待滴加完成后，在35 ℃的水浴中劇烈攪拌12 h，然后離心，洗滌至溶液呈中性，80 ℃真空干燥12 h，即得淡藍(lán)色I(xiàn)E-Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體。最后將該前驅(qū)體置于350 ℃的馬弗爐里焙燒4 h，即得IECu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑。

1.2.6 焙燒復(fù)原法制備RE-Cu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑[12]

將1.0 g 焙燒后的ZnAl-LDO 粉末添加到裝有200 mL陰離子溶液的三口燒瓶中，其中，Cu/Al 原料物質(zhì)的量比為0.5，全程使用煮沸后冷卻的去離子水，保持N2氣氛。待添加完成后，在65 ℃水浴中劇烈攪拌24 h，然后離心，洗滌至溶液呈中性，80 ℃真空干燥12 h，即得淡藍(lán)色RECu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體。最后將該前驅(qū)體置于350 ℃的馬弗爐里焙燒4 h，即得RE-Cu-ZnAl-LDO 插層結(jié)構(gòu)催化劑。

1.3 催化劑的表征

XRD 表征測試采用日本理學(xué)Rigaku SmartLab SE 型X 射線衍射儀分析前驅(qū)體和催化劑晶相結(jié)構(gòu)。其中，CuKα 射線波長λ= 1.541862 ? ，光管電壓V= 40 kV，電流I= 20 mA。樣品掃描為5°-80°，掃描速率為20 (°)/min；根據(jù)Scherrer 公式（見式（1））計(jì)算反應(yīng)后催化劑中Cu 顆粒尺寸。

TEM 表征采用日本理學(xué)JEM-2100F 型透射電子顯微鏡分析樣品的晶體形貌。可在加速電壓200 kV，點(diǎn)分辨率0.19 nm 條件下對樣品形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。測試前，先將樣品在研缽中研磨至細(xì)粉末，取少量樣品溶入乙醇中超聲處理40 min，使其均勻分散于乙醇中。然后取上層清液滴加在碳支持膜的銅網(wǎng)正面，干燥備用。

ICP 表征采用日本島津ICPS-7500 型等離子體發(fā)射光譜儀對催化劑中Cu 元素含量進(jìn)行分析，稱取一定量的催化劑溶解在濃鹽酸中，將溶解液定容至100 mL 容量瓶中備用，可根據(jù)標(biāo)樣濃度進(jìn)一步稀釋到需要的濃度區(qū)間。

N2物理吸附-脫附表征采用貝士德3H-2000PS2型物理吸附儀對催化劑的比表面積、孔體積及孔徑進(jìn)行分析測試。稱取100 mg 催化劑，在250 ℃真空狀態(tài)下預(yù)處理4 h，然后進(jìn)行N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)，利用Brunauer-Emmett-Teller 方程計(jì)算出樣品的比表面積。

H2-TPR 表征采用化學(xué)吸附儀（Micromeritics AutoChem 2920 型）對催化劑進(jìn)行H2的程序升溫還原實(shí)驗(yàn)。稱取20 mg 催化劑裝入U 型石英管反應(yīng)器中，在300 ℃下用N2恒溫吹掃 30 min，氣體流量為40 mL/min，除去樣品吸附的氣體雜質(zhì)以及水分。然后自然冷卻至50 ℃，將氣體切換為（V(H2)/V(Ar) = 1/9）混合氣，流量30 mL/min，待基線平穩(wěn)后，并以10 ℃/min 的升溫速率加熱至500 ℃。在此過程中，H2的信號變化由熱導(dǎo)池檢測器（TCD）來檢測

N2O-H2氧化還原滴定同樣在Micromeritics AutoChem 2920 型化學(xué)吸附儀上進(jìn)行。稱取40 mg催化劑裝入U 型石英反應(yīng)管中，在300 ℃下用N2恒溫吹掃30 min，待降溫至50 ℃后，將氣體切換為10% H2/Ar 氣體，升溫至500 ℃下進(jìn)行還原，使催化劑中的Cu 物種全部還原為Cu0，然后自然降溫至90 ℃，繼續(xù)通入N2O 氣體將催化劑表面的Cu0氧化為Cu2O，最后再通入10% H2/Ar 氣體，并以10 ℃/min 的速率升溫至500 ℃，將Cu2O 全部還原為Cu0。Cu 物種的比表面積及分散度計(jì)算公式如下：

式中，SACu為Cu 的有效比表面積，DCu為Cu的分散度，nH2為第二次還原的耗氫量，n為Cu 的插層量，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，數(shù)值為6.02 × 1023，MCu為Cu 原子的相對原子質(zhì)量。W代表催化劑的質(zhì)量，X是被全部還原的Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 催化劑活性評價

催化劑活性評價在高壓雙通道固定床微反應(yīng)裝置（廈門百得沃智能科技有限公司）上進(jìn)行。首先，將焙燒后的催化劑壓片造粒篩分至40-60 目，稱取0.2 g 等質(zhì)量的石英砂與其均勻混合，置于內(nèi)徑為5 mm 石英管反應(yīng)器的中部恒溫區(qū)。然后，通入H2和N2的混合氣（V(H2)/V(N2) = 1/4），總流量為100 mL/min，以2 ℃/min 升溫至250 ℃，常壓還原4 h。降至50 ℃后切換為合成氣（V(H2)∶V(CO)∶V(CO2)∶V(Ar) = 17.3∶6.3∶2.1∶0.3），氣 體 總 流 量 為26 mL/min，將裝置壓力升至為3.0 MPa，反應(yīng)溫度升至為250 ℃，其中Ar 被作為內(nèi)標(biāo)物。最后，待反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，采用HXSP GC-950（上海海欣色譜儀器有限公司）型色譜分析儀對產(chǎn)物進(jìn)行在線分析，熱導(dǎo)池檢測器（TCD）檢測Ar、H2、CO、CO2等氣體組分，氫火焰離子化檢測器（FID）分析甲醇、乙醇、丙醇等有機(jī)組分。采用內(nèi)標(biāo)法定量分析各組分的含量，計(jì)算公式如下：

xCO和xCO2分 別 代 表CO 和CO2的 轉(zhuǎn) 化 率，COfeed、CO2feed和Arfeed是催化反應(yīng)前色譜中相對應(yīng)的各氣體的峰面積。COreaction、CO2reaction和Arreaction是反應(yīng)過程中各氣體在色譜中對應(yīng)的峰面積。nCO和nCO2分別代表CO 和CO2的摩爾流率，QCO和QCO2代表反應(yīng)氣進(jìn)氣過程中CO 和CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，p和t分別代表質(zhì)量流量控制器的校準(zhǔn)壓力和校準(zhǔn)溫度，φ代表進(jìn)氣的總流量，STYMeOH代表甲醇的時空收率，mcat代表催化劑的質(zhì)量，MMeOH代表甲醇的相對分子質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD 分析

圖1 為不同方法制備得到的前驅(qū)體（a）和催化劑（b）的XRD 譜圖，通過Bragg's Law（nλ=2dsinθ）計(jì)算前驅(qū)體（003）晶面的晶面間距（d003），結(jié)果見表1。從圖1（a）可知，共沉淀法制備的CP-Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體在2θ= 9.02°和18.06°出現(xiàn)了代表水滑石結(jié)構(gòu)的（003）和（006）特征衍射峰（JCPDS File Card No.38-0487），（003）晶面間距為0.98 nm，由 于 ZnAl-LDH 層 板 平 均 厚 度 為 0.48 nm，的離子半徑為0.50 nm，證明了進(jìn)入了ZnAl-LDH 的層板間，導(dǎo)致層間距膨脹變大[13]，說明通過共沉淀法可以制備出具有良好插層結(jié)構(gòu)的ZnAl--LDH 前驅(qū)體。由ZnAl--LDH和IE-Cu-ZnAl-LDH 的XRD 譜圖可以看出，IE-Cu-ZnAl-LDH 前 驅(qū) 體（ 003） 衍 射 峰 較ZnAl--LDH 的向低角度偏移，表明通過離子交換法可以將水滑石層間的離子交換成離子半徑較大的，使（003）晶面間距由0.89 nm 增加到了0.98 nm，說明通過離子交換法也可以制備出插層結(jié)構(gòu)的ZnAl--LDH 前驅(qū)體，但與共沉淀法相比，其前驅(qū)體晶相結(jié)晶度稍差。而經(jīng)焙燒復(fù)原法制備得到的RE-Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體分別出現(xiàn)了兩種水滑石的（003）、（006）特征衍射峰，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)其分別對應(yīng)于插層離子的水滑石衍射峰，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[14]可知，水滑石在復(fù)原過程中，會受到環(huán)境中少量CO2氣氛的干擾，導(dǎo)致進(jìn)入層間的陰離子并非完全是目標(biāo)陰離子。因此，采用焙燒復(fù)原法制備得到的RECu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體不是單一銅絡(luò)合物陰離子插層結(jié)構(gòu)的-LDH 前驅(qū)體。

圖1 不同方法制備插層Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體（a）和Cu-ZnAl-LDO 催化劑（b）的XRD 譜圖Figure 1 XRD patterns of the precursors (a) and catalysts (b) prepared by different methods

表1 不同水滑石前驅(qū)體結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of different hydrotalcite precursors

通過圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，ZnAl-LDH 經(jīng)350 ℃焙燒后，水滑石的特征峰消失，出現(xiàn)了較為彌散的ZnO 衍射峰。三種方法制備的Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體焙燒后，水滑石的特征峰也均消失，ZnO 的特征衍射峰均有所變?nèi)酰瑫r在2θ= 35.56°處出現(xiàn)了彌散的CuO 衍射峰。在ZnAl--LDH 前驅(qū)體焙燒過程中，水滑石層間陰離子發(fā)生分解，導(dǎo)致其與層板失去了氫鍵作用，層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，導(dǎo)致水滑石的特征峰消失；但由于水滑石“拓?fù)湫?yīng)”的存在[15]，水滑石片層形貌并未發(fā)生變化，焙燒后高分散的銅物種會被限域在層板之間。另外前驅(qū)體制備過程中加入的Cu 原料含量較少。因此，三種方法制備得到的催化劑中銅物種晶粒尺寸均較小，呈高度分散狀態(tài)。

2.2 TEM 分析

通過TEM 對不同方法制備的前驅(qū)體和催化劑進(jìn)行微觀形貌分析，如圖2 所示。采用共沉淀法制備的CP-Cu-ZnAl-LDH 前驅(qū)體（圖2(a)）表現(xiàn)出較完整的水滑石二維層狀結(jié)構(gòu)，焙燒后的催化劑（圖2(d)）仍保持水滑石片層形貌，且片層表面具有較多介孔結(jié)構(gòu)。由圖2(d)內(nèi)圖和圖2(g)-(j)（STEM-Mapping 圖）可以發(fā)現(xiàn)，CuO 與ZnO 之間形成界面，催化劑表面Cu 和Zn 物種分散性良好，進(jìn)一步證明了共沉淀法可以制備出具有良好插層結(jié)構(gòu)的ZnAl--LDH 前驅(qū)體，焙燒后銅物種高度分散在層板之間，并與層板上的ZnO 形成活性界面。而IE-Cu-ZnAl-LDH 和RE-Cu-ZnAl-LDH前驅(qū)體中則發(fā)生了明顯的層板錯亂堆疊現(xiàn)象，分散性較差，這說明在離子交換和焙燒復(fù)原過程中，離子半徑較大的部分插層進(jìn)入水滑石層間，但由于層間仍分別存在從而導(dǎo)致水滑石層間高度不同，層板傾斜，發(fā)生堆疊[16]。進(jìn)一步也導(dǎo)致焙燒后的IE-Cu-ZnAl-LDO（圖2(e)）和RE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑（圖2(f)）分別呈雜亂交錯的片層結(jié)構(gòu)，部分層間活性Cu 物種失去層板的限域作用，附著在片層表面被充分暴露出來，在焙燒過程中容易發(fā)生遷移和團(tuán)聚，降低了催化劑中Cu 物種的分散性，不利于CuO 和ZnO 間形成良好的協(xié)同作用[17]。

圖2 不同前驅(qū)體和催化劑的TEM 照片及CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的STEM-Mapping 照片F(xiàn)igure 2 TEM images of different precursors and catalysts and STEM-Mapping diagrams of CP-Cu-ZnAl-LDO catalyst(a): CP-Cu-ZnAl-LDH; (b): IE-Cu-ZnAl-LDH; (c): RE-Cu-ZnAl-LDH; (d): CP-Cu-ZnAl-LDO; (e): IE-Cu-ZnAl-LDO;(f): RE-Cu-ZnAl-LDO; (g)-(j): Mapping diagrams of Cu, Zn and Al elements in CP-Cu-ZnAl-LDO catalyst

2.3 H2-TPR 表征

為了探究不同催化劑中插層Cu 物種的還原能力，對催化劑進(jìn)行H2程序升溫還原分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方法制備插層Cu-ZnAl-LDO 催化劑的H2-TPR 譜圖Figure 3 H2-TPR profiles of the Cu-ZnAl-LDO catalysts prepared by different methods

CP-Cu-ZnAl-LDO 和IE-Cu-ZnAl-LDO 催 化 劑均在低溫區(qū)（170-220 ℃）和高溫區(qū)（230-350 ℃）出現(xiàn)兩個氫氣還原峰。由于ZnO 和Al2O3在500 ℃之內(nèi)不會被氫氣還原[18]，所以兩個還原峰均歸因于CuO 的還原。結(jié)合文獻(xiàn)[18,19]可知，低溫還原峰對應(yīng)為片層表面暴露的高分散CuO 的還原耗氫峰，高溫還原峰則是片層間與ZnO 發(fā)生相互作用且高分散CuO 的還原。可以看出，CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的兩個還原峰溫度均低于IE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的還原峰溫度，說明共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)催化劑由于層板中ZnO 作用下CuO 更分散、顆粒尺寸更小，更容易被氫氣還原為Cu0，與ZnO 產(chǎn)生協(xié)同作用。而RE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑只在高溫區(qū)（279.8 ℃）出現(xiàn)一個相對較寬的還原峰，且均高于CP-Cu-ZnAl-LDO 和IECu-ZnAl-LDO 催化劑的高溫還原峰溫度，表明催化劑中CuO 被堆疊層板中的ZnO 包圍，導(dǎo)致其不容易被氫氣還原。

2.4 織構(gòu)性質(zhì)

不同催化劑的物理織構(gòu)性質(zhì)如表2 所示。共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑中Cu 質(zhì)量含量達(dá)到10.7%，高于離子交換法和焙燒復(fù)原法制備的催化劑，說明共沉淀法可以促使更多的陰離子進(jìn)入水滑石層間，使層板間距變大，同時層板Zn 和Al 物種呈原子級有序排布，由于電荷作用[20]，陰離子在層間也呈原子級有序排布狀態(tài)，從而提高Cu 物種的分散度達(dá)到了62.5%。焙燒過程中隨著水滑石層間陰離子的分解，層板OH-位的脫除，層狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，但由于水滑石獨(dú)特的“拓?fù)湫?yīng)”，均勻分散且高度混合的金屬氧化物仍呈片層形貌，片層之間分散性良好，留下較多的片上孔和堆積孔，使其具有較大的孔體積（0.52 cm3/g），較大的催化劑比表面積（91.2 m2/g）和Cu 有效比表面（45.1 m2/g）。

表2 不同插層結(jié)構(gòu)Cu-ZnAl-LDO 催化劑的織構(gòu)性質(zhì)Table 2 Textural properties of Cu-ZnAl-LDO catalysts with different intercalated structures

2.5 催化劑活性評價

催化劑催化合成氣加氫制甲醇性能評價是在連續(xù)雙通道高壓固定床微反應(yīng)器上進(jìn)行的，反應(yīng)溫度250 ℃、壓力3 MPa 下連續(xù)反應(yīng)60 h，不同催化劑甲醇時空收率結(jié)果見圖4。可以發(fā)現(xiàn)，不同方法制得的催化劑甲醇時空收率從大到小依次是：

CP-Cu-ZnAl-LDO > RE-Cu-ZnAl-LDO > IE-Cu-ZnAl-LDO，三者初始單位Cu 質(zhì)量的甲醇收率分別 達(dá) 到 了3412、2872、2600 mg/(gCu·h)。CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑反應(yīng)60 h 過程中基本沒有失活，而RE-Cu-ZnAl-LDO 和IE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑在反應(yīng)前30 h 活性下降至初始活性的38.9%和37.4%，隨后基本保持穩(wěn)定。說明共沉淀制備的CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑可以有效抑制Cu 顆粒的長大，從而表現(xiàn)出較高的催化穩(wěn)定性。但在RECu-ZnAl-LDO 和IE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑中，由于片層表面部分團(tuán)聚的Cu 顆粒發(fā)生燒結(jié)長大，導(dǎo)致反應(yīng)前30 h 失活較快，而限域在片層間的Cu 顆粒催化活性保持穩(wěn)定。取反應(yīng)30 h 的活性結(jié)果計(jì)算了催化劑的TOF 值（圖4(b)），發(fā)現(xiàn)CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的TOF 值分別是RE-Cu-ZnAl-LDO 和IE-Cu-ZnAl-LDO 的4.9 和15.2 倍，進(jìn)一步說明共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑具有更高的催化效率。

圖4 不同催化劑的甲醇時空收率（a）和TOF 值（b）Figure 4 Space time yield of methanol (a) and TOF values (b) of different catalysts

此外，將三種方法制備的插層結(jié)構(gòu)Cu-ZnAl-LDO 催化劑與文獻(xiàn)[21-23]報道的共沉淀法制備銅鋅鋁催化劑進(jìn)行活性比較，結(jié)果見表3。可以發(fā)現(xiàn)，由于插層結(jié)構(gòu)催化劑中Cu 組分含量僅為6.0%-10.7%，較傳統(tǒng)共沉淀制備催化劑的銅含量50%-70%的低較多，其單位質(zhì)量催化劑的甲醇時空收率也明顯要低一些。但基于單位質(zhì)量Cu 計(jì)算甲醇時空收率，發(fā)現(xiàn)共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)催化劑具有明顯更高的催化效率，是傳統(tǒng)共沉淀法制備催化劑的3-4 倍，表明共沉淀制備插層結(jié)構(gòu)催化劑中的Cu 具有更高的催化CO/CO2加氫合成甲醇能力。

圖5 為不同催化劑反應(yīng)后的XRD 譜圖。由圖5 可以看出，三種方法制備的插層結(jié)構(gòu)催化劑反應(yīng)60 h 后，均在2θ= 43.54°處出現(xiàn)了不同衍射強(qiáng)度的Cu0特征衍射峰，說明反應(yīng)后的催化劑中Cu 物種主要以Cu0的形式存在，其中，CP-Cu-ZnAl-LDO 和RE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的Cu0特征衍射峰比較彌散，IE-Cu-ZnAl-LDO 催化劑的Cu0特征衍射峰較為尖銳。根據(jù)Scherrer 公式分別計(jì)算出平均Cu 顆粒尺寸，發(fā)現(xiàn)Cu 顆粒尺寸從小到大依次為：CP-Cu-ZnAl-LDO（2.1 nm）< RE-Cu-ZnAl-LDO（4.5 nm）< IE-Cu-ZnAl-LDO（8.2 nm）。

表3 不同結(jié)構(gòu)Cu/ZnO/Al2O3 催化劑的甲醇時空收率對比Table 3 Comparison of various Cu/ZnO/Al2O3 catalysts with different structures in the methanol yield

圖5 不同方法制備插層Cu-ZnAl-LDO 催化劑反應(yīng)后的XRD 譜圖Figure 5 XRD patterns of spent Cu-ZnAl-LDO catalysts prepared by different methods

一般認(rèn)為[24,25]，Cu 基催化劑存在顆粒尺寸效應(yīng)，微小的Cu 顆粒表面可以暴露更多的不飽和位點(diǎn)和缺陷位點(diǎn)，增大金屬表面活性位點(diǎn)的分布，從而增強(qiáng)活性Cu 物種對反應(yīng)物、中間體的吸附與錨定，進(jìn)而提高催化性能。另外只有裸露在外的活性金屬Cu 表面才能接觸反應(yīng)物而產(chǎn)生催化作用，即有效Cu 比表面積對催化活性也具有重要影響[26]。因此，將Cu 顆粒尺寸、有效比表面積、分散度與甲醇時空收率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)果見圖6。可以發(fā)現(xiàn)，不同插層結(jié)構(gòu)催化劑甲醇收率與Cu 顆粒尺寸、Cu 有效比表面積及分散度均存在較好的線性關(guān)聯(lián)關(guān)系，活性組分Cu 顆粒尺寸越小，Cu 物種越分散，暴露的有效Cu 比表面越大，越有利于催化活性的提高。共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑可以對Cu 物種產(chǎn)生更好的限域作用，促進(jìn)了Cu 物種的分散，暴露出更多的Cu 有效比表面，形成更多的Cu-ZnO 活性界面，從而提高催化合成氣加氫性能。

圖6 催化劑Cu 顆粒尺寸、Cu 有效比表面積、Cu 分散度與甲醇時空收率的關(guān)系Figure 6 Relationship between the Cu particle size,specific surface area and dispersion of Cu and the space time yield of methanol

3 結(jié) 論

本文分別采用共沉淀法、離子交換法、焙燒復(fù)原法等方法將活性Cu 物種插層引入ZnAl-LDH 層間，經(jīng)焙燒制備出具有插層結(jié)構(gòu)的Cu-ZnAl-LDO 復(fù)合金屬氧化物催化劑，用于合成氣加氫制甲醇反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)通過共沉淀法制備的插層結(jié)構(gòu)CP-Cu-ZnAl-LDO 催化劑不僅可以插層更多的Cu 含量，而且能夠顯著提高Cu 物種的分散度，同時由于水滑石獨(dú)特的有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)和“拓?fù)湫?yīng)”，焙燒過程中層板對活性Cu 物種起到較強(qiáng)的限域作用，有效抑制Cu 物種的遷移和團(tuán)聚，暴露出更多的有效活性界面，從而表現(xiàn)出優(yōu)越的催化活性及穩(wěn)定性，單位Cu 質(zhì)量的甲醇時空收率可達(dá)3412 mg/(gCu·h)，反應(yīng)60 h 沒有發(fā)現(xiàn)失活現(xiàn)象。而離子交換法和焙燒復(fù)原法制備的銅鋅鋁催化劑，由于焙燒后雜亂交錯的片層結(jié)構(gòu)，使部分層間活性Cu 物種失去層板的限域作用，反應(yīng)過程中Cu 顆粒發(fā)生團(tuán)聚長大，導(dǎo)致反應(yīng)前30 h 失活較快，分別下降至初始活性的38.9%和37.4%。