第63卷第1期 化工学报 v01.63No.1
2012年1月 CIESCJournal January2012
===============================;======================一
机械研磨燃烧法制备Cu/ZnO/A1203
甲醇合成催化剂
雷 宏1’2,林笑笑1,侯昭胤2
(1衙州学院化学与材料
学院,浙江衙州324000;2浙江大学化学系催化研究所,浙江杭州310028)
关键词:机械研磨燃烧法;Cu/ZnO/A1zO。催化剂;一氧化碳加氢;甲醇
DOI:10.3969/j.issn.0438—1157.2012.01.018
中图分类号:TQ223.1 文献标志码:A 文章编号:0438—1157(2012)01一0127一06
PreparationofCu/ZnO/A1203catalystsviamechanical
millingandcombustionmethodformethanolsynthesis
,LEIHon91”-LINXiaoxia01-HOUZhaoyin2
(1SchoolofChemicalandMaterialEngineering,QuzhouCollege,Quzhou324000,Zhejiang,Chi雄口;
2InstitutPofCatalysis,DepartmentofCh已mistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310028,Zheji口竹g,Chi砣口)
Abstract:Cu/ZnO/A1203catalystswerepreparedbymechanicalmillingandcombustionatdifferent
calcinationtemperaturesandweretestedforthesynthesisofmethanolfromCOhydrogenation.Calcination
ofcatalystprecursorswasmonitoredwiththermogravimetrydifferentialscanningcalorimeter(TG-DSC).
ThesecatalystswerecharacterizedbyX-raydiffraction(XRD),scanningelectronicmicroscope(SEM),
N2adsorption’temperature-programmedreductionwithH2(TPR)andN20oxidationfollowedbyH,
titration.Theresultsshowedthatthephysicochemicalpropertiesofthepreparedcatalystsdepended
stronglyoncalcinationtemperature,andBETsurfaceareaanddispersionofcopperspeciesdecreasedwith
increasingcalcinationtemperature.Thecatalystcalcinedat350。Cexhibitedthehighestactivitvandstable
catalyticperformance.Themethodcouldbeapromisingalternativeforthepreparationofhighlyefficient
Cu/ZnO/A1203catalysts.
Keywords:mechanicalmillingandcombustionmethod;Cu/ZnO/A1203catalysts;COhydrogenation;
methanol
—.L一
百
Cu/ZnO/A120。催化剂近年来广泛应用于低压
甲醇合成、二甲醚合成和水煤气变换等领域阻2|,
该催化体系具有活性高、使用寿命长、反应温度及
2011一06—12收到初稿,2011一lo—09收到修改稿。
联系人及第一作者:雷宏(1979一)。男,博士研究生,讲师。
基金项目:国家自然科学基金项目(21073159);浙江省大学
生科技创新项目(2010R427003)。
压力较低等优点‘引。目前工业上主要采用共沉淀法
制备Cu/ZnO/A1zO。催化剂‘4’61,共沉淀法所制备
的Cu/ZnO/A120。催化剂虽然具有较好的催化活
性,但它有如下缺点:①沉淀法过程较为复杂,包
括沉淀、老化、过滤、洗涤、干燥、焙烧等,每一
Received血te:2011—06—12.
Correspondingauthor:LEIHong,10906120@zju.edu.cn
Foundationitem:supportedbytheNationalNaturalScience
FoundationofChina(21073159)andtheZhejiangProvincial
UndergraduatesTechnologicalInnovationProject(20lOR427003).
万方数据
·】28· 化工学报 第63卷
步对催化剂的性能都有一定的影响,特别是沉淀、
老化和焙烧;②需要精确控制溶液的pH值和温
度;③催化剂含有少量的碱金属离子;④沉淀法制
备Cu/ZnO/Al。O。的过程中会产生大量的工业废
水,污染环境口]。为了解决这些问题,研究环境友
好的高活性Cu/ZnO/Al。O。催化剂的制备方法将具
有重要的意义。
机械研磨法和燃烧法用于金属氧化物的制备已
有文献报道[8。9]。机械研磨法可以改善金属氧化物
的物理化学性质,而且不产生工业废水[1⋯。近年
来,燃烧法也成为一种有吸引力的催化剂制备技
术,该方法具有生产成本低、化学计量比精确和反
应时间短等优点[11|。在燃烧反应过程中,金属盐
和燃烧剂发生氧化还原反应。通常硝酸盐作为氧化
剂,尿素、甘氨酸或柠檬酸等有机物作为燃烧剂。
本文以甘氨酸为燃烧剂采用机械研磨燃烧法制
备了Cu/ZnO/Al。0。催化剂,通过热重一差热
仪(TG—DSC)监测催化剂前驱体的焙烧过程,采
用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、N。吸
附、程序升温还原(TPR)和N。O氧化后氢气滴
定等方法表征了催化剂。结合机械研磨法和燃烧法
的优点,着重研究了焙烧温度对催化剂结构的影
响,采用CO加氢制备甲醇的反应考察了所制备样
品的催化性能,并根据表征结果讨论了催化剂结构
与催化活性的关系。
1 实验部分
1.1催化剂的制备
首先将14.50gCu(N03)2·3H20、7.44g
Zn(NO。)2·6H20、5.63gAl(N03)3·9H20
(Cu/Zn/A1原子比为60/25/15)和7.51g甘氨酸
手工研磨1h,研磨后的物料在110℃下烘干12h,
然后放入50m1内有玛瑙球的球磨罐中,玛瑙球与
前驱体的质量比为10:1,在300r·min-1转速下
研磨2h。研磨完后,将粉末与玛瑙球分离,然后
在空气气氛中350~600℃下焙烧4h,得到的
CuO/ZnO/A1。O。(CZA)根据焙烧温度分别标记
为CZA一350、CZA-400、CZA-450、CZA-500和
CZA一600。作为比较,参照文献E6-1描述的并流
共沉淀方法制备Cu0/ZnO/A1。O。。在连续搅拌的
情况下,将0.6mol·L~Cu(N03)2、0.25tool·
L—Zn(N03)2和0.15mol·L-1Al(N03)3的混合
溶液和1tool·L~Na2CO。溶液滴入200ml去离
子水中,滴加过程中,温度维持在70℃,pH保持
在7.5~8.0。滴加结束后,老化1h,用去离子水
洗涤,滤饼在80℃下干燥12h,然后在350℃下焙
烧4h,得到的催化剂标记为CZA—CC。
1.2催化剂的活性评价
催化剂的活性测试在固定床反应器中进行。2
g催化剂与同粒度的石英砂(380~830弘m)混合
均匀后装入不锈钢反应管中,催化剂用H。进行原
位程序升温还原2h,最高还原温度为250℃。还
原结束后,切换成反应气。反应条件为260℃、3
MPa、空速(GHSV)3000h~,原料气组成CO/
H:体积比为1:2。所有反应器后面的管道和阀门
被加热到150℃,以防止气体产品冷凝。产物分析
在岛津GC-14B型气相色谱仪上进行,气体产物采
用TCD检测器和Porapak—Q柱在线分析。转化率
和选择率通过质量平衡的方法计算,取3次分析的
平均值。
1.3催化剂的表征
热重一差热实验(TG—DSC)在NetzschSTA
409热分析仪上进行。将催化剂前驱体(约10
rag)置于氧化铝坩埚内,在空气气氛中,从30℃
升至600℃(10℃·rain一1)。样品的xRD表征在
RigakuD/MAX-2500衍射仪上进行,测试条件:
Cu靶,K。射线,管电压40kV,管电流40mA,
扫描范围15。~80。,扫描速率6(。)·min~。样品
的表面形态通过日本Hitachi公司S一3400N型扫
描电镜观察,工作电压为15kV。N。吸附实验在
美国NOVA公司1000e型孔结构比表面积测试仪
上进行。氧化态催化剂经250℃脱气处理后,再进
行N。吸附测定,吸附温度196℃,比表面积采用
BET方程由N。吸附等温线求得。TPR实验在Mi-
cromeriticsAtuoChem2910型化学吸附仪上进行,
取20mg样品,以10%H。/N。(体积比)混合气
为还原气,还原气流速为30ml·rain~,程序升
温还原温度为室温~400℃,升温速率为10℃·
rain~,氢气的消耗量采用TCD检测器检测。还
原后铜原子的比表面积通过N:O氧化后氢气滴定
的方法获得[12|,样品在前面描述的程序升温还原
后,H。的消耗量被标记为X,然后冷却到50℃,
通入20%N。O/N。(体积比)混合气氧化0.5h,
冷却到室温,最后通人10%H。/N。再次进行程序
升温还原,在第二次程序升温还原中氢气的消耗量
被标记为y。铜原子的分散度和表面积可以通过式
万方数据
第1期 雷宏等:机械研磨燃烧法制备Cu/ZnO/A1zO。甲醇合成催化剂 ·129·
(1)、式(2)计算[”]
D=(2y/X)×100% (1)
S一2YN。,/(1.4×10”XMc。)=
1353Y/X(m2·g一1) (2)
式中N。。为阿伏加德罗常数;Mc。一63.456g·
mol~;1.4×10”为每平方米铜原子的密度。
2 结果与讨论
2.1催化剂前驱体的TG-DSC分析
催化剂前驱体的燃烧和分解过程通过TG-DSC
监测。图1为催化剂前驱体的TG—DSC曲线,由
图可见,前驱体的燃烧和分解大致可分为3个阶
段。前驱体在40~150℃出现第工阶段失重,失重
19.3%,有一个宽的吸热峰,这归属于前驱体表面
吸附水的蒸发和结晶水的分解。在第Ⅱ阶段,前驱
体在150~235℃失重49.6%,有一个尖锐的放热
峰(i84℃),这个结果表明硝酸盐和甘氨酸在此温
度区间发生了燃烧分解,而且由图l可知,硝酸盐
在190~200℃基本燃烧完全。在第Ⅲ阶段,前驱
体在235~600℃失重2.0%,有一个宽的放热峰,
这可能是残余的甘氨酸燃烧分解。从前驱体TG—
DSC分析中可知,硝酸盐和甘氨酸可以在200℃以
下发生燃烧分解。
鲁
董
蓉
图1 CuO/ZnO/Alz03催化剂前驱体的TG-DSC曲线
Fig.1TG-DSCofCuO/ZnO/A1203catalystprecursor
2.2催化剂的结构性质
图2为不同焙烧温度下机械研磨燃烧法制备的
CuO/ZnO/Al。O。催化剂的XRD图谱。从图2可
以观察到CuO的衍射峰(JCPDS44—0706)在2口
为32.6。、35.6。、38.8。、48.9。处出现,随着焙烧
温度升高,CuO衍射峰的强度逐渐增大,峰形逐
渐变窄,说明CuO的粒径随着温度的升高而增大。
通过Sherrer
计算CuO的粒径,发现当焙烧温
度从350℃升高到600℃时,CuO的粒径从8.8
am增加到18.8nm(表1)。ZnO的衍射峰(JCP—
DS36—1451)在2口为31.8。、34.5。、36.3。处出现,
由图2可知,ZnO和CuO的衍射峰没有完全分开,
峰形较宽,这表明部分ZnO进入了CuO晶体中或
ZnO和CuO紧密接触[13|。随着焙烧温度升高,
ZnO衍射峰的强度也逐渐增大,说明ZnO粒径也
随焙烧温度升高而增大。图2中没有Al。O。的衍射
峰出现,这可能是因为Al。Os以无定形状态存在。
20/(。)
图2不同温度焙烧的CuO/ZnO/A1zOs
催化剂的XRD图谱
Fig.2XRDpatternsofCuO/ZnO/A1203catalysts
calcinedatdifferenttemperatures
a—CZA_350;b—CZA_400;PCZA-450;
d—CZA一500:e--CZA-600
表1不同温度焙烧的CuO/ZnO/Alz03催化剂的物性参数
Table1 PhysicalpropertiesofCuO/ZnO/Ah03catalysts
calcinedatdifferenttemperatures
①BETspecificsurfacearea.
②dc。odeterminedforcatalystbyXRDdatabasedon
Sherrerequation.
③Metalliccoppersurfacearea(Sc。)anddispersionin
reducedcatalystweredeterminedbyN2Ochemisorptionat
50℃usingproceduredescribedinRef.[12].
图3显示的是不同焙烧温度制得的CuO/ZnO/
Al。O。催化剂的扫描电镜照片。从图中可以看出,
CZA一350和CZA一400呈片状,粒径分布比较均匀,
粒径均小于300am。Grunwaldt等[141研究发现,
氧化铜颗粒呈片状是因为CuO和Zn0之间强烈的
万方数据
·j30· 化工学报 第63卷
(b)CZA一400
(d)CZA一500
(e)CZA·600
图3不同温度焙烧的CuO/ZnO/A1zO。催化剂的SEM图
Fig.3SEMimagesofCuO/ZnO/AIz03catalysts
calcinedatdifferenttemperatures
相互作用,铜锌之间的相互作用增强有利于提高
Cu/ZnO/A1。O。催化剂的催化活性[7]。在450℃以
上焙烧制得的CZA一450、CZA一500和CZA一600上
出现了粒子的聚集,粒径明显增大。因此,CuO/
Zn0/Al:0。催化剂的扫描电镜照片表明催化剂的粒
径随着焙烧温度升高而增大,这与XRD的结果相
一致。
不同焙烧温度制备的催化剂比表面积和铜原子
的分散度及比表面积见表1。从表1可见,当焙烧
温度由350℃升高到600℃时,催化剂的比表面积
从74.6m2·g_1降低到18.2m2·g~,铜原子的
分散度和比表面积也随着温度升高而下降,这与
XRD和SEM结果相一致。主要是因为晶粒的增大
或颗粒的聚集[15|,而催化剂Cu的分散度及其比表
面积是决定Cu基催化剂活性的主要因素[16。。
2.3催化剂的还原性分析
图4为不同温度焙烧制得的CuO/ZnO/Al。O。
催化剂的H:一TPR图谱。所有样品在150~300℃
都显示两个还原峰,由于在实验条件下ZnO和
Al:0。不能被还原[17|,因此这两个峰归属于两种
CuO的还原。低温下的还原峰对应于高分散的、
与ZnO和Alz0。有强烈相互作用的Cu0的还原,
g
甚
§
兽
8
d
temperature/'C
图4不同温度焙烧的CuO/ZnO/Al。0。
催化剂H2-TPR图谱
Fig.4H2一TPRprofilesofCuO/ZnO/A1203
catalystscalcinedatdifferenttemperatures
a—CZA一350;b—CZA一400;c—CZA一450;
d--CZA一500:e—CZA一600
万方数据
第1期 雷宏等:机械研磨燃烧法制备Cu/Zn0/A1。0。甲醇合成催化剂 ·J3j·
高温下的还原峰对应于粒径较大的CuO的还
原[1引。从图中可以发现,与纯CuO相比(文献报
道纯CuO的还原温度约为340℃[7]),催化剂中的
CuO可以在更低的温度下还原,这说明ZnO和
AlzO。能够促进CuO的分散,增强其还原能力E193。
当焙烧温度升高时,催化剂的还原温度逐渐升高,
说明催化剂的粒径逐渐增大。在这里,H。一TPR的
结果和XRD和SEM是一致的。CZA一350显示了
最低的还原温度,低温下的还原峰出现在174。C,
高温下的还原峰出现在197℃,表明CZA-350具有
最小的CuO粒径和最大的分散度;CZA-600的还
原温度最高,低温下的还原峰出现在225℃,高温
下的还原峰出现在263℃,表明CZA一600具有最大
的CuO粒径和最小的分散度。H。-TPR的结果和
铜原子比表面积的结果是相符合的。
2.4催化剂对甲醇合成反应的活性评价
表2为不同焙烧温度制备的Cu/ZnO/A1。0。
催化剂的催化活性和选择性。从表2中可见,CO
的转化率随着焙烧温度的增加而下降,从CZA-
350的43.7%下降到CZA-600的22.8%,这可以
通过Cu/ZnO/Al。O。催化剂中Cu原子的比表面积
变化趋势来解释,因为对于铜基催化剂,Cu原子
的比表面积越大,催化剂的活性就越高[2⋯。XRD、
NzO氧化后氢气滴定和H。-TPR等实验都
了
Cu原子的比表面积随焙烧温度升高而减小,因此
Cu/ZnO/AlzO。催化剂的催化活性随焙烧温度升高
而下降。如表2所示,甲醇的选择性也随温度升高
而下降,相对于催化活性,下降程度较小。
表2催化剂的催化活性和选择性
Table2 Catalyticactivityandselectivityof
Cu/ZnO/A1203catalysts
Note:Reactionconditions:H2/co=2(v01),T一260℃,P一3.0
MPa,GHSV=3000h一1.
为了考察机械研磨燃烧法制备的Cu/ZnO/
AlzO。催化剂的稳定性,选择了催化活性最好的
CZA一350催化剂进行稳定性能的评估。在评估期
reactiontime/h
图5 CZA.350催化剂上CO转化率和甲醇
选择性随反应时间的变化
Fig.5VariationofCOconversionandmethanol
selectivitywithreactiontimeoverCZA一350catalyst
(reactionconditions:H2/CO=2(v01);T一260℃;
P=3.0MPa;GHSV一3000h一1)
蔷
:_墓
曼
耋
謦
问,所有的反应条件保持一致,结果见图5。由图
5可以看出,与反应初期相比,在i00h的反应时
间内,CO转化率和甲醇选择性分别仅降低4.1%
和1.4%。显而易见,机械研磨燃烧法制备的Cu/
ZnO/A1。O。催化剂在整个评估期间具有稳定的催
化性能。
比较不同方法制备的催化剂的催化活性可以发
现,在机械研磨燃烧法制备的CZA-350催化剂上
CO的转化率和甲醇的选择性均高于传统的碳酸盐
共沉淀法制备的CZA—CC,而且催化性能稳定,制
备过程中不产生废水,因此机械研磨燃烧法是一种
绿色的,有着较强应用前景的Cu/ZnO/A1。0。催化
剂的制备技术。
图6显示了甲醇产率与Cu原子比表面积的对
应关系,从图6可见,甲醇产率随Cu原子比表面
积的增大而增大,但并不完全呈线性关系,这说明
Cu/ZnO/A1。0。催化剂的催化活性不仅与Cu原子
比表面积相关,还可能与其他因素有关,例如Cu
和ZnO/Al。O。之间相互作用的程度。
3 结 论
以甘氨酸为燃烧剂,硝酸盐为前驱体盐,采用
机械研磨燃烧法在不同焙烧温度下制备了一系列的
Cu/ZnO/A1。O。催化剂,得出结论如下:
(1)催化剂的比表面积、铜的分散度和还原能
力随焙烧温度升高而下降;
(2)催化剂的催化活性随焙烧温度上升而下降;
(3)与传统的碳酸盐共沉淀方法相比,机械研
摹/【Io—sJo>口。口ou
万方数据
·】32· 化工学报 第63卷
&h,m2.g。1
[83
[93
[103
[11]
图6 甲醇收率和Cu原子比表面积的关系
Fig.6RelationshipbetweenyieldofmethanolandCu
specificsurfacearea(reactioneonditions:H2/CO一2
(v01);T一260℃;P=3.0MPa;GHSV一3000h_1)
12
磨燃烧法制备的催化剂在CO加氢合成甲醇反应中
有更高催化活性,制备工艺更简单,而且不产生废
水,是一种绿色的制备方法。 [z33
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机械研磨燃烧法制备Cu/ZnO/Al2O3甲醇合成催化剂
作者: 雷宏, 林笑笑, 侯昭胤, LEI Hong, LIN Xiaoxiao, HOU Zhaoyin
作者单位: 雷宏,LEI Hong(衢州学院化学与材料工程学院,浙江衢州324000;浙江大学化学系催化研究所,浙江杭州
310028), 林笑笑,LIN Xiaoxiao(衢州学院化学与材料工程学院,浙江衢州,324000), 侯昭胤,HOU
Zhaoyin(浙江大学化学系催化研究所,浙江杭州,310028)
刊名: 化工学报
英文刊名: CIESC Journa
年,卷(期): 2012,63(1)
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