Synthese und Test von unterstützten Pt-Cu-Feststofflösungen Nanopartikelkatalysatoren für die Propan-Dehydrierung

Das übergeordnete Ziel dieser Forschung ist es, neue bimetallische Katalysatoren mit kleiner einheitlicher Partikelgröße zu synthetisieren und ihre Leistungsfähigkeit für die Alkandehydrierung zu testen. Ziel ist es, die grundlegenden Prinzipien zu verstehen, die zu einer hohen Olefinselektivität, einer hohen Rate, einer langen Lebensdauer und thermischen Stabilität führen. Diese Katalysatorsynthesemethode optimiert die Verankerung und den Träger von Metallspezies, indem sie eine Lösung mit einem pH-Wert herstellt, der die Stützfläche auflädt und Metallionen entgegengesetzter Ladung überprüft.

Eine sorgfältige Kontrolle der Kalzinierungs- und Reduktionstemperaturen ist erforderlich, um eine kleine Partikelgröße zu erreichen, die Co-Imprägnierung der richtig ausgewählten Metallvorläufer sorgt für eine starke bimetallische Wechselwirkung, die letztendlich die Aktivität und Selektivität steuert. Nach der Aufbereitung messen wir die Raten, die Selektivität und die Stabilität der Katalysatoren für die Alkandehydrierung, um die Leistungsunterschiede mit der Katalysatorzusammensetzung zu bestimmen und diese mit der Struktur zu korrelieren. Wiegen Sie zunächst etwa fünf Gramm trockene Kieselsäure vorsichtig auf Wiegepapier ab und geben Sie sie in eine Wiegeschale.

Während des Mischens Wasser tropfenweise hinzufügen, bis die Kieselsäure vollständig nass ist, aber ohne überschüssige Lösung. Wiegen Sie dann die nasse Kieselsäure erneut, um die absorbierte Wassermenge zu berechnen und das Porenvolumen des Kieselsäureträgers zu bestimmen. Um die Vorläuferlösung herzustellen, lösen Sie 0,125 Gramm Kupfernitrattrihydrat in einem Milliliter Wasser in einem kleinen Schlamm auf, um eine himmelblaue Lösung zu erhalten.

Geben Sie tropfenweise Ammoniak in die Kupfernitratlösung, wodurch dunkelblaue Ausfällungen von Kupferhydroxid entstehen. Fügen Sie so lange Ammoniak hinzu, bis sich die dunkelblauen Ausfällungen zu einer dunkelblauen Lösung auflösen und der pH-Wert über 10 liegt. Geben Sie anschließend 0,198 Gramm Tetraamminplatinnitrat in die Lösung.

Fügen Sie dann Wasser hinzu, so dass das Gesamtvolumen der Lösung 3,5 Milliliter beträgt, was dem Porenvolumen von fünf Gramm Kieselsäureträger entspricht. Erhitzen Sie die Lösung auf 70 Grad Celsius, bis sich alle Tetraamminplatinnitratsalze aufgelöst haben. Nachdem Sie die gelöste Metallvorläuferlösung auf Raumtemperatur abkühlen ließen, geben Sie jeweils einige Tropfen zu fünf Gramm Kieselsäure in eine keramische Verdampfungsschale und rühren Sie vorsichtig um, um die aneinander haftenden Partikel aufzubrechen, um eine homogene Verteilung der Lösung zu erreichen.

Trocknen Sie den imprägnierten Katalysator auf Basis von Kieselsäure mit einem Kupfer-Platin-Verhältnis von 0,7 über Nacht in einem Ofen bei 125 Grad Celsius. Am Folgetag wird der abgekühlte Katalysatorvorläufer in einem Ofen bei 250 Grad Celsius mit einer permanenten Rampengeschwindigkeit von fünf Grad Celsius drei Stunden lang an der Luft kalziniert. Übertragen Sie anschließend den kalzinierten Katalysator zur Reduktion in einen Rohrofen.

Legen Sie eine 1-Zoll-Schicht Quarzwolle in die Mitte eines 1-Zoll-Quarzrohrreaktors und laden Sie den abgekühlten kalzinierten Katalysator durch einen Kunststofftrichter in das Rohr. Legen Sie dann das Rohr in einen Ofen mit programmierter Clamshell-Temperatur. Nachdem Sie das Rohr fünf Minuten lang bei Raumtemperatur mit Stickstoff gespült haben, schalten Sie den Durchfluss auf 5 % Wasserstoff um, der in Stickstoff bei der gleichen Durchflussrate wie Stickstoff ausgeglichen ist, um den Katalysator zu reduzieren.

Erhöhen Sie die Temperatur auf 150 Grad Celsius mit einer dauerhaften Rampenrate von fünf Grad Celsius und halten Sie sie fünf Minuten lang. Beginnen Sie nun, die Temperatur langsam mit einer Rate von 2,5 Grad Celsius pro Minute auf 250 Grad Celsius zu erhöhen und die Temperatur nach jedem Anstieg um 25 Grad Celsius 15 Minuten lang zu halten. Rampe auf 550 Grad Celsius bei 10 Grad Celsius pro Minute und bleibe 30 Minuten, um die Reduzierung abzuschließen.

Schalten Sie den 5%igen Wasserstofffluss wieder auf reinen Stickstoff um, um das System zu spülen und auf Raumtemperatur abzukühlen. Entladen Sie dann den Katalysator und bewahren Sie ihn für die zukünftige Verwendung in einem Fläschchen auf. Legen Sie eine halbe Zollschicht Quarzwolle gegen das Grübchen in der Mitte eines 3/8-Zoll-Quarzrohrreaktors.

Mischen Sie als nächstes 40 Milligramm Katalysatorvorläufer auf Siliziumdioxidbasis mit einem Kupfer-Platin-Verhältnis von 0,7 und 960 Milligramm des Siliziumdioxids in einem leeren Fläschchen, um den Katalysator zu verdünnen. Laden Sie das Katalysatorgemisch mit einem Kunststofftrichter in den Rohrreaktor. Wischen Sie die Außenwand beider Rohrenden mit fusselfreien Tüchern ab, um Schmutz zu entfernen und eine gute Abdichtung mit dem O-Ring zu erhalten.

Verbinden Sie die Rohrverschraubungen mit beiden Enden des Quarzrohrreaktors und befestigen Sie sie an dem Reaktorsystem, das mit einem Zweischalenofen ausgestattet ist. Schalten Sie anschließend den Stickstofffluss durch den Rohrreaktor ein. Nach einer Minute schließen Sie den Kugelhahn am Reaktorauslass.

Nachdem Sie darauf gewartet haben, dass der Systemdruck auf fünf Pfund pro Quadratzoll ansteigt, schließen Sie den Kugelhahn an der Stickstoffeinlassleitung, um den Stickstofffluss zu stoppen und das Reaktorsystem abzudichten. Notieren Sie nach einer Minute den Druckmesswert vom Manometer. Öffnen Sie den Kugelhahn am Reaktorauslass, um den Druck abzulassen, bevor Sie den Stickstofffluss wieder starten, indem Sie den Kugelhahn an der Stickstoffeinlassleitung einschalten, um das System eine Minute lang zu spülen.

Beginnen Sie mit dem Fließen von in Stickstoff verdünntem Wasserstoff zur Katalysatorreduktion, bevor Sie die Reaktion durchführen, und stoppen Sie den Stickstofffluss. Beginnen Sie mit dem Aufheizen des Rohrreaktors auf 550 Grad Celsius mit einer Geschwindigkeit von 10 Grad Celsius. Für die Reaktionsprüfung bei der Propandehydrierung starten Sie den Gaschromatographen (GC) im Reaktorsystem und wählen die geeignete Methode für die Gaskomponentenanalyse aus.

Schalten Sie nun den Gasfluss des Reaktors auf eine Bypass-Leitung um. Durchfluss: 100 Kubikzentimeter pro Minute von 5 % Propan und Stickstoff, verdünnt in 5 %, Wasserstoff, verdünnt in Stickstoff. Nachdem sich der Propanfluss stabilisiert hat, injizieren Sie den Bypass-Strom als Referenzprobe in den GC.

Schalten Sie anschließend den Gasfluss zurück zur Reaktorrohrleitung, um die Reaktion zu starten und die Zeit aufzuzeichnen. Nachdem die Reaktion vier Minuten lang gelaufen ist, injizieren Sie den Reaktorauslassgasstrom in den GC, um Informationen über die Auslassgaskomponente zu erhalten. Verwenden Sie abschließend die entsprechende Peakanalysesoftware, um jeden Peak zu analysieren.

Die Propylen-Selektivität über die Zeit für Platin- und Platin-Kupfer-Katalysatoren wird hier vorgestellt. Während die Propylenselektivität der Platinkatalysatoren bei höherer Umwandlung abnimmt, behält der siliziumdioxidgestützte Katalysator mit einem Kupfer-Platin-Verhältnis von 7,3 eine hohe Propylenselektivität bei verschiedenen Propanumwandlungen bei. Die Selektivität des Katalysators steigt nahezu linear mit dem Kupfergehalt in den Platin-Kupfer-Katalysatoren.

Ein höherer Kupfergehalt verbessert auch die Umsatzraten pro Mol Oberflächenplatin für die Propan-Dehydrierung. Es besteht eine nahezu lineare Beziehung zwischen der Umsatzrate und dem Atomverhältnis des Katalysators von Kupfer zu Platin, wobei die Kohlenstoffbilanz bei allen Reaktionstests bei nahezu 100 % liegt. Die durchschnittliche Partikelgröße der monometallischen Platin- und Platin-Kupfer-Katalysatoren, die durch Stem Imaging bestimmt wird, liegt zwischen zwei und drei Nanometern.

Die Veränderung des Streumusters in den Röntgenabsorptionsfeinstrukturspektren der Katalysatoren mit zunehmendem Kupfer-Platin-Verhältnis deutet auf die Bildung von bimetallischen Nanopartikeln mit zunehmendem Kupfergehalt hin. Das XRD-Muster von Platin- und Platin-Kupfer-Katalysatoren zeigte, dass sich ihre Zusammensetzung von der idealen Zusammensetzung geordneter Legierungen unterscheidet und es keinen Peak aus der Übergitterbeugung gibt, was darauf hindeutet, dass Platin und Kupfer in den Katalysatoren eine ungeordnete feste Lösungsstruktur bilden. Die Beugungspeaks verschieben sich mit zunehmendem Kupfer-Platin-Verhältnis in höhere Winkel, was bestätigt, dass die feste Lösung kupferreicher wird.

Einmal gemeistert, kann der Imprägnierschritt in etwa einer Stunde durchgeführt werden und die Konsistenz wie kleine Partikel mit gleichmäßiger Zusammensetzung. Bei der Herstellung von Metalllegierungen durch Imprägnierung ist es wichtig, den pH-Wert der Lösung anzupassen und je nach Art des Trägers geeignete Metallkomplexe zu verwenden. Das Lösungsvolumen sollte gleich dem Porenvolumen des Trägers sein.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man gestützte Bimetallkatalysatoren synthetisiert und ihre Alkan-Dehydrierungsleistung testet. Dieses Verfahren ist breit anwendbar und kann für unterschiedliche Katalysatorzusammensetzungen und für viele chemische Reaktionen eingesetzt werden. Vergessen Sie nicht, dass das Mischen von Wasserstoff mit Luft in Gegenwart eines metallischen Katalysators äußerst gefährlich ist und zu Explosionen führen kann.

Sie müssen den Reaktor immer vor und nach der Wasserstoffzugabe zum Katalysator mit Stickstoff spülen.