Sintesi e test di sostanza solida Pt-Cu sostenuta Catalizzatori di nanoparticelle per la deidrogenazione del propano

L'obiettivo generale di questa ricerca è quello di sintetizzare nuovi catalizzatori bimetallici con particelle di piccole dimensioni uniformi e testare le loro prestazioni per la deidrogenazione degli alcani. L'obiettivo è quello di comprendere i principi fondamentali che portano ad un'elevata selettività olefinica, ad un alto tasso, a una lunga durata e stabilità termica. Questo metodo di sintesi del catalizzatore ottimizza l'ancoraggio delle specie metalliche e il supporto preparando una soluzione con un pH che carica la superficie di supporto e controlla gli ioni metallici di carica opposta.

Per ottenere particelle di piccole dimensioni è necessario un attento controllo delle temperature di calcinazione e di riduzione, la co-impregnazione dei precursori metallici opportunamente scelti garantisce una forte interazione bimetallica che in ultima analisi controlla l'attività e la selettività. Dopo la preparazione, misuriamo i tassi, la selettività e la stabilità dei catalizzatori per la deidrogenazione degli alcani per determinare le differenze di prestazioni con la composizione del catalizzatore e correlarle con la struttura. Per prima cosa, pesate con cura circa cinque grammi di silice secca su carta per pesare e trasferitela in un piatto per pesare.

Durante la miscelazione, aggiungere acqua goccia a goccia fino a quando la silice è completamente bagnata, ma senza soluzione in eccesso. Quindi, pesare nuovamente la silice umida per calcolare la quantità di acqua assorbita e per determinare il volume dei pori del supporto di silice. Per preparare la soluzione precursore, sciogliere 0,125 grammi di nitrato di rame triidrato in un millilitro d'acqua in una piccola fiala per ottenere una soluzione blu cielo.

Aggiungere l'ammoniaca goccia per goccia alla soluzione di nitrato di rame, formando precipitati blu scuro di idrossido di rame. Continuare ad aggiungere ammoniaca fino a quando i precipitati blu scuro si dissolvono per formare una soluzione blu scuro e il pH è maggiore di 10. Successivamente, aggiungere 0,198 grammi di nitrato di tetraamminaplatino alla soluzione.

Quindi, aggiungere acqua in modo che il volume totale della soluzione sia di 3,5 millilitri, che corrisponde al volume dei pori di un supporto di silice di cinque grammi. Riscaldare la soluzione a 70 gradi Celsius fino a quando tutti i sali di nitrato di tetraamminino platino sono disciolti. Dopo aver lasciato raffreddare la soluzione di precursore metallico disciolto a temperatura ambiente, aggiungere poche gocce alla volta a cinque grammi di silice in un piatto di evaporazione in ceramica e mescolare delicatamente per rompere le particelle che si attaccano tra loro per ottenere una distribuzione omogenea della soluzione.

Asciugare il catalizzatore impregnato supportato da silice con un rapporto rame/platino di 0,7 in un forno a 125 gradi Celsius per una notte. Il giorno seguente, calcinare il precursore del catalizzatore raffreddato in una fornace a 250 gradi Celsius con una velocità di rampa permanente di cinque gradi Celsius in aria per tre ore. Quindi, trasferire il catalizzatore calcinato in un forno tubolare per la riduzione.

Posizionare uno strato di lana di quarzo da un pollice al centro di un reattore a tubo di quarzo da un pollice e caricare il catalizzatore calcinato raffreddato nel tubo attraverso un imbuto di plastica. Quindi, posizionare il tubo in un forno a temperatura programmata a conchiglia. Dopo aver spurgato la provetta con azoto per cinque minuti a temperatura ambiente, passare al 5% di idrogeno bilanciato in azoto alla stessa velocità di flusso dell'azoto per ridurre il catalizzatore.

Aumentare la temperatura a 150 gradi Celsius con una velocità di rampa permanente di cinque gradi Celsius e mantenerla premuta per cinque minuti. Ora, inizia a far crescere lentamente la temperatura a una velocità compresa tra 2,5 gradi Celsius al minuto e 250 gradi Celsius, mantenendo la temperatura per 15 minuti dopo ogni aumento di 25 gradi Celsius. Rampa a 550 gradi Celsius a 10 gradi Celsius al minuto e rimani per 30 minuti per completare la riduzione.

Riportare il flusso di idrogeno al 5% in azoto puro per spurgare il sistema e raffreddarlo a temperatura ambiente. Quindi, scaricare il catalizzatore e conservarlo in una fiala per un uso futuro. Posiziona uno strato di lana di quarzo di mezzo pollice contro la fossetta al centro di un reattore a tubo di quarzo da 3/8 di pollice.

Successivamente, mescolare 40 milligrammi di precursore del catalizzatore supportato da silice con un rapporto rame-platino di 0,7 e 960 milligrammi di silice in una fiala vuota per diluire il catalizzatore. Utilizzando un imbuto di plastica, caricare la miscela di catalizzatore nel reattore tubolare. Pulire la parete esterna di entrambe le estremità del tubo con salviette prive di lanugine per rimuovere lo sporco e ottenere una buona tenuta con l'O-ring.

Collegare i raccordi del tubo a entrambe le estremità del reattore a tubo di quarzo e collegarli al sistema del reattore dotato di un forno a conchiglia. Successivamente, attivare il flusso di azoto attraverso il reattore tubolare. Dopo un minuto, chiudere la valvola a sfera sull'uscita del reattore.

Dopo aver atteso che la pressione del sistema aumenti a cinque libbre per pollice quadrato, chiudere la valvola a sfera sulla linea di ingresso dell'azoto per arrestare il flusso di azoto e sigillare il sistema del reattore. Dopo un minuto, registrare la lettura della pressione dal manometro. Aprire la valvola a sfera sull'uscita del reattore per rilasciare la pressione prima di riavviare il flusso di azoto accendendo la valvola a sfera sulla linea di ingresso dell'azoto per spurgare il sistema per un minuto.

Iniziare a far fluire l'idrogeno diluito in azoto per la riduzione del catalizzatore prima di eseguire la reazione e arrestare il flusso di azoto. Iniziare a riscaldare il reattore tubolare a 550 gradi Celsius con una velocità di 10 gradi Celsius. Per i test della reazione di deidrogenazione del propano, avviare il gascromatografo, o GC, nel sistema del reattore e selezionare il metodo appropriato per l'analisi dei componenti del gas.

Ora, commutare il flusso di gas del reattore su una linea di bypass. Flusso 100 centimetri cubi al minuto di propano al 5% e azoto diluito in idrogeno al 5% diluito in azoto. Dopo che il flusso di propano si è stabilizzato, iniettare il flusso di bypass nel GC come campione di riferimento.

Quindi, riportare il flusso di gas alla linea del tubo del reattore per avviare la reazione e registrare il tempo. Dopo che la reazione è stata eseguita per quattro minuti, iniettare il flusso di gas in uscita dal reattore nel GC per ottenere le informazioni sul componente del gas in uscita. Infine, utilizza il software di analisi dei picchi corrispondente per analizzare ogni picco.

La selettività del propilene rispetto al tempo per i catalizzatori al platino e al platino-rame è presentata qui. Mentre la selettività del propilene dei catalizzatori al platino diminuisce con una conversione più elevata, il catalizzatore supportato da silice con un rapporto rame-platino di 7,3 mantiene un'elevata selettività del propilene a diverse conversioni di propano. La selettività del catalizzatore aumenta quasi linearmente con un contenuto di rame nei catalizzatori platino-rame.

Un contenuto di rame più elevato migliora anche i tassi di turnover per mole di platino superficiale per la deidrogenazione del propano. Esiste una relazione quasi lineare tra il tasso di turnover e il rapporto atomico del catalizzatore tra rame e platino con un bilancio del carbonio vicino al 100% durante tutti i test di reazione. La dimensione media delle particelle dei catalizzatori monometallici di platino e platino-rame determinata mediante imaging dello stelo è compresa tra due e tre nanometri.

Il cambiamento del modello di scattering negli spettri di struttura fine di assorbimento dei raggi X dei catalizzatori con l'aumento del rapporto rame-platino suggerisce la formazione di nanoparticelle bimetalliche con l'aumento del contenuto di rame. Il modello XRD di platino e catalizzatori platino-rame ha mostrato che la loro composizione differisce dalla composizione ideale delle leghe ordinate e non vi è alcun picco di diffrazione del superreticolo che indica che il platino e il rame formano una struttura di soluzione solida disordinata nei catalizzatori. I picchi di diffrazione si spostano verso angoli più alti con l'aumentare del rapporto rame/platino, confermando che la soluzione solida diventa più ricca di rame.

Una volta padroneggiata, la fase di impregnazione può essere eseguita in circa un'ora e la consistenza come piccole particelle con composizione uniforme. Quando si preparano leghe metalliche mediante impregnazione, è importante regolare il valore del pH della soluzione e utilizzare complessi metallici adeguati in base al tipo di supporto. Il volume della soluzione deve essere uguale al volume dei pori del supporto.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come sintetizzare i catalizzatori bimetallici supportati e testare le loro prestazioni di deidrogenazione degli alcani. Questo metodo è ampiamente applicabile e può essere utilizzato per diverse composizioni di catalizzatori e per molte reazioni chimiche. Non dimenticare che mescolare l'idrogeno con l'aria in presenza di un catalizzatore metallico è estremamente pericoloso e può portare a esplosioni.

È necessario spurgare sempre il reattore con azoto prima e dopo l'aggiunta di idrogeno al catalizzatore.