Synthèse et test de la solution solide supportée Pt-Cu Catalyseurs de nanoparticules pour la déshydrogénation au propane

L’objectif global de cette recherche est de synthétiser de nouveaux catalyseurs bimétalliques avec de petites particules de taille uniforme et de tester leurs performances pour la déshydrogénation des alcanes. L’objectif est de comprendre les principes fondamentaux qui conduisent à une sélectivité élevée des oléfines, à un taux élevé, à une longue durée de vie et à une stabilité thermique. Cette méthode de synthèse catalytique permet d’optimiser l’ancrage des espèces métalliques et le support en préparant une solution avec un pH qui charge la surface de support et vérifie les ions métalliques de charge opposée.

Un contrôle minutieux des températures de calcination et de réduction est nécessaire pour obtenir une petite taille de particules, la co-imprégnation des précurseurs métalliques correctement choisis assure une forte interaction bimétallique qui contrôle finalement l’activité et la sélectivité. Après la préparation, nous mesurons les vitesses, la sélectivité et la stabilité des catalyseurs pour la déshydrogénation des alcanes afin de déterminer les différences de performance avec la composition du catalyseur et de les corréler avec la structure. Tout d’abord, pesez soigneusement environ cinq grammes de silice sèche sur du papier de pesée et transférez-le dans un plat de pesée.

Pendant le mélange, ajoutez de l’eau goutte à goutte jusqu’à ce que la silice soit complètement humide, mais sans excès de solution. Ensuite, pesez à nouveau la silice humide pour calculer la quantité d’eau absorbée et pour déterminer le volume des pores du support en silice. Pour préparer la solution de précurseur, dissolvez 0,125 gramme de nitrate de cuivre trihydraté dans un millilitre d’eau dans une petite capsule pour obtenir une solution bleu ciel.

Ajouter l’ammoniac goutte à goutte à la solution de nitrate de cuivre en formant des précipités bleu foncé d’hydroxyde de cuivre. Continuez à ajouter de l’ammoniac jusqu’à ce que les précipités bleu foncé se dissolvent pour former une solution bleu foncé et que le pH soit supérieur à 10. Ensuite, ajoutez 0,198 gramme de nitrate de tétraammineplatine à la solution.

Ensuite, ajoutez de l’eau de sorte que le volume total de la solution soit de 3,5 millilitres, ce qui correspond au volume des pores de cinq grammes de support de silice. Chauffez la solution à 70 degrés Celsius jusqu’à ce que tous les sels de nitrate de tétraammineplatine soient dissous. Après avoir laissé la solution de précurseur métallique dissous refroidir à température ambiante, ajoutez quelques gouttes à la fois à cinq grammes de silice dans un plat d’évaporation en céramique et remuez doucement pour briser les particules qui se collent ensemble afin d’obtenir une distribution homogène de la solution.

Faites sécher le catalyseur imprégné de silice avec un rapport cuivre/platine de 0,7 dans un four à 125 degrés Celsius pendant la nuit. Le lendemain, calcinez le précurseur du catalyseur refroidi dans un four à 250 degrés Celsius avec un taux de rampe permanent de cinq degrés Celsius dans l’air pendant trois heures. Ensuite, transférez le catalyseur calciné dans un four tubulaire pour la réduction.

Placez une couche d’un pouce de laine de quartz au milieu d’un réacteur à tube de quartz d’un pouce et chargez le catalyseur calciné refroidi dans le tube à travers un entonnoir en plastique. Ensuite, placez le tube dans un four à température programmée. Après avoir purgé le tube avec de l’azote pendant cinq minutes à température ambiante, passez à 5 % d’hydrogène équilibré en azote au même débit que l’azote pour réduire le catalyseur.

Augmentez la température à 150 degrés Celsius avec un taux de rampe permanent de cinq degrés Celsius et maintenez la position pendant cinq minutes. Maintenant, commencez à augmenter lentement la température à un rythme de 2,5 degrés Celsius par minute à 250 degrés Celsius, en maintenant la température pendant 15 minutes après chaque augmentation de 25 degrés Celsius. Augmentez la vitesse jusqu’à 550 degrés Celsius à 10 degrés Celsius par minute et restez 30 minutes pour terminer la réduction.

Repassez le débit d’hydrogène à 5 % à l’azote pur pour purger le système et le refroidir à température ambiante. Ensuite, déchargez le catalyseur et stockez-le dans un flacon pour une utilisation future. Placez une couche d’un demi-pouce de laine de quartz contre la fossette au milieu d’un réacteur à tube de quartz de 3/8 de pouce.

Ensuite, mélangez 40 milligrammes de précurseur de catalyseur supporté par de la silice avec un rapport cuivre/platine de 0,7 et 960 milligrammes de silice dans un flacon vide pour diluer le catalyseur. À l’aide d’un entonnoir en plastique, chargez le mélange de catalyseur dans le réacteur tubulaire. Essuyez la paroi extérieure des deux extrémités du tube avec des lingettes non pelucheuses pour enlever toute saleté et obtenir une bonne étanchéité avec le joint torique.

Connectez les raccords tubulaires aux deux extrémités du réacteur à tube de quartz et fixez-les au système de réacteur équipé d’un four à clapet. Ensuite, allumez le flux d’azote à travers le réacteur tubulaire. Au bout d’une minute, fermez le robinet à boisseau sphérique à la sortie du réacteur.

Après avoir attendu que la pression du système augmente à cinq livres par pouce carré, fermez le robinet à bille sur la conduite d’azote d’entrée pour arrêter l’écoulement d’azote et sceller le système du réacteur. Au bout d’une minute, enregistrez la lecture de la pression sur le manomètre. Ouvrez le robinet à boisseau sphérique à la sortie du réacteur pour relâcher la pression avant de redémarrer le flux d’azote en allumant le robinet à boisseau sphérique sur la conduite d’admission d’azote pour purger le système pendant une minute.

Commencez à faire couler de l’hydrogène dilué dans de l’azote pour réduire le catalyseur avant de lancer la réaction et d’arrêter le flux d’azote. Commencez à chauffer le réacteur tubulaire à 550 degrés Celsius avec un taux de 10 degrés Celsius. Pour les essais de réaction de déshydrogénation du propane, démarrez le chromatographe en phase gazeuse (CG) dans le système du réacteur et sélectionnez la méthode appropriée pour l’analyse des composants gazeux.

Maintenant, basculez le flux de gaz du réacteur vers une conduite de dérivation. Débit de 100 centimètres cubes par minute de 5 % de propane et d’azote dilué dans 5 % d’hydrogène dilué dans de l’azote. Une fois que le débit de propane s’est stabilisé, injectez le flux de dérivation dans le GC comme échantillon de référence.

Ensuite, rebasculez le flux de gaz vers la conduite du tube du réacteur pour démarrer la réaction et enregistrer le temps. Après que la réaction ait duré quatre minutes, injectez le flux de gaz de sortie du réacteur dans le GC pour obtenir les informations sur le composant du gaz de sortie. Enfin, utilisez le logiciel d’analyse de pic correspondant pour analyser chaque pic.

La sélectivité du propylène en fonction du temps pour les catalyseurs à base de platine et de platine-cuivre est présentée ici. Alors que la sélectivité du propylène des catalyseurs à base de platine diminue à une conversion plus élevée, le catalyseur supporté par la silice avec un rapport cuivre/platine de 7,3 conserve une sélectivité élevée du propylène à différentes conversions de propane. La sélectivité du catalyseur augmente presque linéairement avec une teneur en cuivre dans les catalyseurs platine-cuivre.

Une teneur plus élevée en cuivre améliore également les taux de renouvellement par mole de platine de surface pour la déshydrogénation du propane. Il existe une relation quasi linéaire entre le taux de renouvellement et le rapport atomique du catalyseur cuivre/platine, le bilan carbone étant proche de 100 % pendant tous les essais de réaction. La taille moyenne des particules des catalyseurs monométalliques de platine et de platine-cuivre, déterminée par imagerie de tige, est comprise entre deux et trois nanomètres.

Le changement du modèle de diffusion dans les spectres de structure fine d’absorption des rayons X des catalyseurs avec un rapport cuivre/platine croissant suggère la formation de nanoparticules bimétalliques avec une teneur en cuivre croissante. Le modèle XRD des catalyseurs de platine et de platine-cuivre a montré que leur composition diffère de la composition idéale des alliages ordonnés et qu’il n’y a pas de pic de diffraction de super-réseau, indiquant que le platine et le cuivre forment une structure de solution solide désordonnée dans les catalyseurs. Les pics de diffraction se déplacent vers des angles plus élevés avec l’augmentation du rapport cuivre/platine, confirmant que la solution solide devient plus riche en cuivre.

Une fois maîtrisée, l’étape d’imprégnation peut être réalisée en une heure environ et la consistance comme de petites particules à la composition uniforme. Lors de la préparation d’alliages métalliques par imprégnation, il est important d’ajuster la valeur du pH de la solution et d’utiliser des complexes métalliques appropriés en fonction du type de support. Le volume de la solution doit être égal au volume des pores du support.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de synthétiser des catalyseurs bimétalliques supportés et de tester leurs performances de déshydrogénation des alcanes. Cette méthode est largement applicable et peut être utilisée pour différentes compositions de catalyseurs et pour de nombreuses réactions chimiques. N’oubliez pas que le mélange de l’hydrogène avec de l’air en présence d’un catalyseur métallique est extrêmement dangereux et peut entraîner des explosions.

Vous devez toujours purger le réacteur avec de l’azote avant et après l’ajout d’hydrogène au catalyseur.