張 欣,唐成黎,譚蕓妃,秦莉曉,董立春
(1.重慶大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331;2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,重慶 401120;3.重慶化工職業(yè)學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,重慶 402160)
γ-丁內(nèi)酯(GBL)是重要的精細(xì)有機(jī)合成中間體和優(yōu)良溶劑[1-4],廣泛用于石油化工、紡織、農(nóng)藥、香料和醫(yī)藥等領(lǐng)域[5]。工業(yè)上GBL的生產(chǎn)主要有1,4-丁二醇(BDO)氣相脫氫[6-7]與順酐加氫[8-10]兩種工藝。其中,前者生產(chǎn)的GBL純度高、質(zhì)量好且分離工藝簡(jiǎn)單,是目前應(yīng)用最廣泛的GBL生產(chǎn)工藝。
貴金屬負(fù)載催化劑(如 Au/TiO2[11],Au/FeOx[12])在120~140 ℃便具有非常高的BDO氣相脫氫制GBL催化活性,但受制于貴金屬高昂的成本,實(shí)際生產(chǎn)中用于BDO氣相脫氫制GBL的催化劑主要為Cu基催化劑(如非負(fù)載型的Cu-Cr-Mn-Ba[13],Cu-Cr-Mn-Ba-Na[14],Cu-ZnO-ZrO2-Al2O3[7],Cu-ZnO-MnO-Al2O3[15],及負(fù)載型的Cu-Ba/SiO2[16],Co-Cu/MgO[17],Cu/ZrO2[7]等)。其中,Cu-Cr系催化劑因具有較優(yōu)的催化性能及穩(wěn)定性而應(yīng)用廣泛。在Cu-Cr系催化劑中,Cu是活性組分[18],Cr作為助劑能改善Cu的分散性并提高GBL的選擇性[19]。然而 ,目前報(bào)道的Cu-Cr系催化劑大多Cr含量較高[6],易對(duì)環(huán)境造成污染,因此,研究者正致力于開(kāi)發(fā)無(wú)Cr催化劑用于BDO氣相脫氫制備GBL[7,15-16,18-19],但目前文獻(xiàn)報(bào)道的無(wú) Cr催化劑普遍存在組分復(fù)雜、GBL選擇性和抗燒結(jié)性差的缺點(diǎn)。
本工作以納米TiO2為載體,通過(guò)沉積沉淀法制備了低Cr含量的Cu-Cr/TiO2納米催化劑,研究了它在BDO氣相脫氫制GBL中的催化性能,目的是降低催化劑中Cr含量的同時(shí),保持Cu-Cr系催化劑催化性能及抗燒結(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)。研究了Cr含量對(duì)催化劑性能的影響,并通過(guò)BET,XRD,TEM,H2-TPR方法對(duì)催化劑進(jìn)行了表征。
親水性納米TiO2:純度99.8%,粒徑(25±5)nm,銳鈦晶型,比表面積79.8 m2/g,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;Cu(NO3)2·3H2O:重慶藝博有限公司;Cr(NO3)2·9H2O,Na2CO3,BDO,GBL:成都市科龍化工試劑廠。上述試劑均為分析純,且使用過(guò)程中未做進(jìn)一步提純處理。
采用沉積沉淀法制備,制備的催化劑中CuO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為40%。將定量的Cu(NO3)2·3H2O與Cr(NO3)2·9H2O溶解于去離子水中制成混合硝酸鹽溶液,將納米TiO2在超聲條件下用Na2CO3溶液分散制成pH值為8.0的懸浮液;在70 ℃水浴中,將制成的硝酸鹽混合溶液和Na2CO3溶液(1 mol/L)并流滴加到TiO2懸浮液中,滴加過(guò)程持續(xù)攪拌并保持溶液的pH值為8.0±0.5,滴加完畢后漿液繼續(xù)在70 ℃恒溫水浴中靜置30 min;室溫條件下老化20 h后抽濾洗滌,濾餅在110 ℃干燥2.5 h后,于450 ℃焙燒4.5 h,得到不同Cr2O3含量(Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0,1%,2%,3%,4%,5%)的Cu-Cr/TiO2催化劑(記作Cu-xCr/TiO2,x表示催化劑中以Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的Cr含量)。
采用天津先權(quán)儀器有限公司的WFSM-391型在線(xiàn)催化劑評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行催化劑活性評(píng)價(jià)。固定床反應(yīng)器為長(zhǎng)300 mm、內(nèi)徑8 mm的不銹鋼管,反應(yīng)器內(nèi)裝填2 mL催化劑(粒徑(200±20)μm)。測(cè)試時(shí),先將催化劑用40 mL/min的H2在250 ℃還原3.0 h。然后將BDO通過(guò)恒流泵送入預(yù)熱器中氣化,同時(shí)按n(H2)∶n(BDO)= 100通入H2。氣化后的BDO與H2一起進(jìn)入反應(yīng)器,反應(yīng)溫度為250 ℃,常壓,液態(tài)空速為2 h-1。反應(yīng)后的產(chǎn)物用魯南化工儀器有限公司的SP-6890型氣相色譜儀進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè),檢測(cè)器為T(mén)CD。根據(jù)面積歸一化法,即首先以苯為標(biāo)準(zhǔn)物標(biāo)定被測(cè)物的校正因子(fi),根據(jù)各組分的峰面積按式(1)計(jì)算各組分的摩爾 分?jǐn)?shù)(yi),然后按式(2)~(3)計(jì)算BDO轉(zhuǎn)化率(X)和GBL選擇性(Y)。
式中,Ai和AC6H6分別為組分i和標(biāo)準(zhǔn)物(苯)的峰面積;yTHF,yNBA,yBDO,yGBL分別為四氫呋喃、正丁醇、BDO和GBL的摩爾分?jǐn)?shù)。
XRD分析采用日本Rigaku公司的 D/max-2500 PC型X射線(xiàn)衍射分析儀測(cè)試,Cu靶,Kα射線(xiàn),石墨單色器,管電壓40 kV,管電流100 mA,2θ為15°~70°,掃描速率為2(°)/mim。BET比表面積使用美國(guó)Micromeritics Instrument Corporation的ASAP2020型吸附儀測(cè)試:試樣先在250 ℃脫氣預(yù)處理10 h,然后在液氮冷阱中做氮?dú)馕?。TEM測(cè)試采 用德國(guó)Zeiss公司的 Libra200型熱場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡,加速電壓200 kV,真空度7~10 Pa。H2-TPR由美國(guó)Quantachrome的ChemBET3000型吸附儀測(cè)試,10 mg催化劑試樣在300 ℃保持30 min以氦氣吹掃,除去水分和物理吸附的雜質(zhì),降至室溫后轉(zhuǎn)換成H2體積分?jǐn)?shù)為10%的H2/N2混合氣,以15 ℃/min升至550 ℃,TCD在線(xiàn)檢測(cè)。
將Cu-Cr/TiO2催化劑在微反-色譜在線(xiàn)評(píng)價(jià)裝置上連續(xù)反應(yīng)10.0 h,每0.5 h取樣1次,反應(yīng)穩(wěn)定后計(jì)算不同反應(yīng)時(shí)間的BDO轉(zhuǎn)化率與GBL選擇性,取平均值,得到不同Cr含量催化劑上BDO平均轉(zhuǎn)化率曲線(xiàn) (見(jiàn)圖1)與GBL平均選擇性曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。由圖1可見(jiàn),BDO的轉(zhuǎn)化率都在98%以上,說(shuō)明Cr組分的加入可提高BDO的轉(zhuǎn)化率,Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),BDO的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值,之后隨著Cr2O3含量的增加,BDO的轉(zhuǎn)化率略有降低。這種趨勢(shì)在GBL選擇性隨Cr2O3含量的變化中更明顯,由圖2可見(jiàn),Cr2O3含量對(duì)GBL的選擇性有明顯的影響,遠(yuǎn)大于對(duì)BDO轉(zhuǎn)化率的影響,隨Cr2O3含量的增加,GBL的選擇性呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),GBL的選擇性達(dá)到最高,為96.2%。
圖1 BDO在不同Cr含量催化劑上的轉(zhuǎn)化率Fig.1 1,4-Butanediol (BDO) conversion on Cu-Cr/TiO2 catalysts with different Cr contents.
為測(cè)試催化劑的穩(wěn)定性,將性能最佳的Cu-3%Cr/TiO2催化劑連續(xù)測(cè)試48 h,BDO轉(zhuǎn)化率及GBL選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn),在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中,Cu-3%Cr/TiO2催化劑的活性穩(wěn)定,BDO轉(zhuǎn)化率保持在99%以上,GBL選擇性一直保持在96.0%以上,具有良好的穩(wěn)定性。這說(shuō)明制備的Cu-Cr/TiO2催化劑克服了傳統(tǒng)Cu-Cr系催化劑Cr含量較高的缺點(diǎn),但保留了Cu-Cr系催化劑GBL選擇性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 GBL在不同Cr含量催化劑上的選擇性Fig.2 γ-Butyrolactone(GBL) selectivity on Cu-Cr/TiO2 catalysts with different Cr contents.
圖3 BDO轉(zhuǎn)化率及GBL選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化Fig.3 Curves of BDO conversion and GBL selectivity as a function of reaction time.
2.2.1 比表面積表征結(jié)果
Cu-Cr/TiO2催化劑的比表面積見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),隨著Cr含量的增加,催化劑的比表面積呈現(xiàn)先略有下降后小幅增長(zhǎng)的趨勢(shì);Cu-2%Cr/TiO2催化劑的比表面積最低,為53.3 m2/g,而催化性能最佳的Cu-3%Cr/TiO2催化劑的比表面積也僅為56.7 m2/g,說(shuō)明比表面積不是決定Cu-Cr/TiO2催化性能的關(guān)鍵因素。
2.2.2 XRD表征結(jié)果
反應(yīng)前未還原的Cu-Cr/TiO2催化劑試樣的XRD譜圖見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),Cu-Cr/TiO2催化劑的譜圖中均出現(xiàn)了CuO和銳鈦型TiO2的特征峰,各催化劑的譜圖沒(méi)有顯著的變化,但可以看到Cu-3%Cr/TiO2催化劑在2θ為35.7°和38.9°處歸屬CuO的峰相對(duì)較弱并更寬泛,說(shuō)明Cu-3%Cr/TiO2中活性成分CuO的分散性更好[21]。添加Cr2O3后,各催化劑中并沒(méi)有觀察到Cr2O3的特征衍射峰,說(shuō)明Cr2O3以無(wú)定形的形式分散在催化劑載體上[22]。文獻(xiàn)[23-27]報(bào)道,在Cu-Cr系催化劑中,Cu與Cr可形成CuCr2O4和CuCrO2固溶體,但未能在Cu-Cr/TiO2催化劑的XRD譜圖中發(fā)現(xiàn)CuCr2O4或CuCrO2固溶體的特征峰,原因很可能是催化劑中的Cr含量較少,形成的固溶體很少,未達(dá)到XRD的檢測(cè)極限[22]。
表1 Cu-Cr/TiO2催化劑的比表面積Table 1 Specific surface areas of Cu-Cr/TiO2 catalysts with different Cr contents
圖4 反應(yīng)前未還原的Cu-Cr/TiO2催化劑的XRD譜圖Fig.4 XRD spectra of unreduced Cu-Cr/TiO2 catalysts before reaction.
Cu-Cr/TiO2催化劑在250 ℃經(jīng)H2還原4.0 h后的XRD譜圖見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),譜圖中只有載體TiO2和單質(zhì)Cu的特征峰,未還原的Cu-Cr/TiO2催化劑前驅(qū)物經(jīng)H2還原后,前驅(qū)物組分CuO完全被還原成了活性組分Cu。Cr組分的加入使Cu-3%Cr/TiO2與Cu-5%Cr/TiO2的Cu衍射峰明顯變?nèi)?,說(shuō)明Cr組分的加入降低了還原后Cu-Cr/TiO2催化劑中 Cu 的粒徑[21]。
經(jīng)過(guò)H2還原且連續(xù)反應(yīng)10.0 h后的Cu-Cr/TiO2催化劑的XRD譜圖見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),由于反應(yīng)是在H2氣氛下,因此只出現(xiàn)了載體TiO2和單質(zhì)Cu的特征峰。Cu-3%Cr/TiO2催化劑中Cu的衍射峰寬度最大且強(qiáng)度最弱,表明此時(shí)Cu的粒徑最小,分散最為均勻,因此Cu-3%Cr/TiO2催化劑的抗燒結(jié)性能最佳。
圖5 反應(yīng)前還原后Cu-Cr/TiO2催化劑的XRD譜圖Fig 5 XRD spectra of reduced Cu-Cr/TiO2 catalysts before reaction.
圖6 反應(yīng)后Cu-Cr/TiO2催化劑的XRD譜圖Fig.6 XRD spectra of Cu-Cr/TiO2 catalysts after reaction.
2.2.3 TEM照片
Cu-1%Cr/TiO2,Cu-3%Cr/TiO2,Cu-5%Cr/TiO2催化劑經(jīng)H2還原后未反應(yīng)的TEM照片見(jiàn)圖7a~c,反應(yīng)10.0 h后的TEM照片見(jiàn)圖7d~f。由圖7可見(jiàn),催化劑經(jīng)H2還原后,活性組分是以Cu單質(zhì)形式分散在TiO2載體上。反應(yīng)前,Cu較好地分散在TiO2上,Cu-3%Cr/TiO2和Cu-5%Cr/TiO2催化劑中Cu的粒徑更小,且分散更均勻,與XRD的表征結(jié)果一致。經(jīng)10.0 h反應(yīng)后,各催化劑中Cu的粒徑都不同程度的增大,與Cu-1%Cr/TiO2催化劑和Cu-5%Cr/TiO2催化劑相比,Cu-3%Cr/TiO2催化劑中Cu沒(méi)有大的團(tuán)聚,因而表現(xiàn)出更優(yōu)的抗燒結(jié)性能。綜合TEM和XRD分析結(jié)果可以得出,Cr組分的加入可促進(jìn)活性組分在TiO2上的分散,并且當(dāng)Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),這種促進(jìn)效果最佳,表現(xiàn)為反應(yīng)前未還原的催化劑的前驅(qū)物CuO組分和反應(yīng)后催化劑的活性組分Cu顆粒在TiO2載體上粒徑更小,抗燒結(jié)性能更佳。這種活性組分在載體上的最佳分散是Cu-3%Cr/TiO2催化劑在BDO氣相脫氫制GBL中表現(xiàn)出最佳催化性能的原因。
2.2.4 H2-TPR表征結(jié)果
Cu-Cr/TiO2催化劑的H2-TPR譜圖見(jiàn)圖8。
圖7 Cu-Cr/TiO2催化劑還原后未反應(yīng)及還原后反應(yīng)10.0 h的TEM照片F(xiàn)ig.7 TEM images of reduced Cu-Cr/TiO2 catalysts before reaction and after reaction for 10.0 h.
圖8 Cu-Cr/TiO2催化劑的H2-TPR譜圖Fig.8 H2-TPR diagrams of Cu-Cr/TiO2 catalysts.
由圖8可見(jiàn),Cu-0Cr/TiO2催化劑的主還原峰出現(xiàn)在301.5 ℃,屬于CuO的還原峰。各催化劑在主還原峰前都有一個(gè)肩峰,可能是的CuO在載體上存在著分散度的差異[28-30],也有可能是由于CuO的還原是分兩步完成的,即Cu2+—Cu+—Cu,肩峰的形成是由于部分高價(jià)Cu還原成了低價(jià)Cu造成的[31]。由圖8還可見(jiàn),隨著Cr含量的增加,CuO的還原溫度呈先上升后降低的趨勢(shì),并且在Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)最高(374.0 ℃)。結(jié)合XRD和TEM的結(jié)果可知,Cr組分的加入導(dǎo)致了Cu-Cr/TiO2催化劑中CuO與Cr2O3之間的相互作用或CuO與載體TiO2之間的作用增強(qiáng)[29],而Cu-3%Cr/TiO2催化劑中CuO與Cr2O3或CuO與載體TiO2之間的作用最強(qiáng),因而反應(yīng)前未還原的催化劑中CuO組分和還原后催化劑中的活性組分Cu都具有最小的粒徑分布,并表現(xiàn)出最佳的抗燒結(jié)性能。
1)以納米TiO2為載體,通過(guò)沉積沉淀法制備了一系列低Cr含量的Cu-Cr/TiO2催化劑,在BDO氣相脫氫合成GBL反應(yīng)中表現(xiàn)出了良好的催化活性、選擇性及穩(wěn)定性。
2)Cr2O3含量對(duì)GBL的選擇性有明顯的影響,遠(yuǎn)大于對(duì)BDO轉(zhuǎn)化率的影響。當(dāng)催化劑中Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),GBL選擇性達(dá)到96.2%。
3)催化劑中Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),Cu-Cr/TiO2催化劑具有最佳的催化活性、穩(wěn)定性及抗燒結(jié)性能。
4)Cr組分的加入提高了CuO的還原溫度,而在Cu-3%Cr/TiO2催化劑中,CuO的還原溫度最高,因而,該催化劑中CuO與載體TiO2或CuO與Cr2O3的相互作用最強(qiáng)。