프로판 탈수 소화를위한 Pt-Cu 고용체 나노 입자 촉매 합성 및 시험

이 연구의 전반적인 목표는 작고 균일한 입자 크기를 가진 새로운 바이메탈 촉매를 합성하고 알칸 탈수소화 성능을 테스트하는 것입니다. 목표는 높은 올레핀 선택성, 높은 속도, 긴 수명 및 열 안정성으로 이어지는 기본 원리를 이해하는 것입니다. 이 촉매 합성 방법은 지지 표면을 충전하고 반대 전하의 금속 이온을 확인하는 pH를 가진 용액을 준비하여 금속 종의 앵커링을 최적화하고 지지합니다.

작은 입자 크기를 달성하기 위해서는 소성 및 환원 온도의 신중한 제어가 필요하며, 적절하게 선택된 금속 전구체의 동시 함침은 궁극적으로 활성과 선택성을 제어하는 강력한 바이메탈 상호 작용을 보장합니다. 준비 후, 알칸 탈수소화를 위한 촉매의 속도, 선택성 및 안정성을 측정하여 촉매 조성에 따른 성능 차이를 결정하고 이를 구조와 연관시킵니다. 먼저, 계량지에 약 5g의 건조 실리카를 조심스럽게 무게를 싣고 계량 접시에 옮깁니다.

혼합하는 동안 실리카가 완전히 젖을 때까지 물을 적방울 방향으로 첨가하되 과도한 용액은 없습니다. 그런 다음 젖은 실리카의 무게를 다시 측정하여 흡수된 물의 양을 계산하고 실리카 지지체의 공극 부피를 결정합니다. 전구체 용액을 준비하려면 0.125g의 질산구리 삼수화물을 물 1ml에 작은 바이알에 용해시켜 하늘색 용액을 얻습니다.

구리-질산염 용액에 암모니아를 적방울 첨가하여 수산화구리의 짙은 파란색 침전물을 형성합니다. 진한 파란색 침전물이 용해되어 진한 파란색 용액을 형성하고 pH가 10보다 커질 때까지 암모니아를 계속 첨가합니다. 다음으로, 용액에 0.198g의 테트라암민 백금 질산염을 첨가합니다.

그런 다음 용액의 총 부피가 5g 실리카 지지체의 기공 부피와 일치하는 3.5밀리리터가 되도록 물을 추가합니다. 모든 테트라암민 백금 질산염이 용해될 때까지 용액을 섭씨 70도로 가열합니다. 용해된 금속 전구체 용액을 실온으로 냉각시킨 후 세라믹 증발 접시에 실리카 5g에 한 번에 몇 방울을 떨어뜨리고 부드럽게 저어 서로 달라붙는 입자를 분해하여 용액의 균일한 분포를 달성합니다.

함침된 실리카 지지 촉매를 섭씨 125도의 오븐에서 구리와 백금의 비율이 0.7로 하룻밤 동안 건조시킵니다. 다음 날, 냉각된 촉매 전구체를 섭씨 250도의 용광로에서 3시간 동안 공기 중에서 섭씨 5도의 영구 램프 속도로 하소합니다. 다음으로, 소성 된 촉매를 환원을 위해 관로로 옮깁니다.

1인치 석영관 반응기 중간에 1인치 석영 울층을 놓고 냉각된 소성 촉매를 플라스틱 깔때기를 통해 튜브에 로드합니다. 그런 다음 튜브를 조개 껍질 온도가 프로그래밍된 용광로에 넣습니다. 실온에서 5분 동안 튜브를 질소로 퍼지한 후 질소와 동일한 유속으로 질소가 균형을 이룬 5%수소로 흐름을 전환하여 촉매를 줄입니다.

섭씨 5도의 영구 램프 속도로 온도를 섭씨 150도까지 높이고 5분 동안 유지합니다. 이제 분당 섭씨 2.5도에서 섭씨 250도의 비율로 온도를 천천히 증가시키기 시작하고 섭씨 25도가 상승할 때마다 15분 동안 온도를 유지합니다. 분당 섭씨 10도의 속도로 섭씨 550도까지 올라가고 30분 동안 유지하여 감소를 완료합니다.

5% 수소 흐름을 순수 질소로 다시 전환하여 시스템을 퍼지하고 실온으로 냉각합니다. 그런 다음 촉매를 내리고 나중에 사용할 수 있도록 바이알에 보관하십시오. 3/8인치 석영관 반응기 중간에 있는 딤플에 반 인치의 석영 양모 층을 놓습니다.

다음으로, 40mg의 실리카 지지 촉매 전구체와 0.7mg의 구리 대 백금 비율과 960mg의 실리카를 빈 바이알에 혼합하여 촉매를 희석합니다. 플라스틱 깔때기를 사용하여 촉매 혼합물을 튜브 반응기에 로드합니다. 보푸라기가 없는 물티슈로 양쪽 튜브 끝의 외벽을 닦아 먼지를 제거하고 O-링으로 잘 밀봉합니다.

튜브 피팅을 석영관 반응기의 양쪽 끝에 연결하고 조개껍질 가열로가 장착된 반응기 시스템에 부착합니다. 그런 다음 튜브 반응기를 통한 질소 흐름을 켭니다. 1분 후 반응기 배출구의 볼 밸브를 닫습니다.

시스템 압력이 제곱인치당 5파운드 게이지로 증가할 때까지 기다린 후 입구 질소 라인의 볼 밸브를 닫아 질소 흐름을 중지하고 반응기 시스템을 밀봉합니다. 1분 후 게이지의 압력 판독값을 기록합니다. 반응기 배출구의 볼 밸브를 열어 압력을 해제한 후 입구 질소 라인의 볼 밸브를 켜서 1분 동안 시스템을 퍼지하여 질소 흐름을 다시 시작합니다.

반응을 실행하기 전에 촉매 환원을 위해 질소에 희석된 수소를 흐르기 시작하고 질소 흐름을 중지합니다. 튜브 반응기를 섭씨 10도의 비율로 섭씨 550도까지 가열하기 시작합니다. 프로판 탈수소화 반응 테스트의 경우 반응기 시스템에서 가스 크로마토그래프(GC)를 시작하고 가스 성분 분석을 위한 적절한 방법을 선택합니다.

이제 반응기 가스 흐름을 바이패스 라인으로 전환합니다. 질소에 희석된 5% 수소에 희석된 5%프로판과 질소의 분당 100입방센티미터를 흐릅니다. 프로판 흐름이 안정화된 후 바이패스 흐름을 참조 샘플로 GC에 주입합니다.

다음으로, 가스 흐름을 반응기 튜브 라인으로 다시 전환하여 반응을 시작하고 시간을 기록합니다. 반응이 4분 동안 실행된 후 반응기 출구 가스 흐름을 GC에 주입하여 출구 가스 성분 정보를 얻습니다. 마지막으로, 해당 피크 분석 소프트웨어를 사용하여 각 피크를 분석합니다.

백금 및 백금-구리 촉매에 대한 프로필렌 선택성 대 시간이 여기에 제시되어 있습니다. 백금 촉매의 프로필렌 선택성은 높은 전환율에서 감소하는 반면, 구리 대 백금 비율이 7.3인 실리카 지지 촉매는 다른 프로판 전환에서 높은 프로필렌 선택성을 유지합니다. 촉매의 선택성은 백금-구리 촉매의 구리 함량에 따라 거의 선형으로 증가합니다.

구리 함량이 높을수록 프로판 탈수소를 위한 표면 백금의 몰당 회전율이 향상됩니다. 모든 반응 테스트에서 탄소 균형이 100%에 가까운 구리 대 백금의 회전율과 촉매 원자 비율 사이에는 선형에 가까운 관계가 있습니다. 스템 이미징에 의해 결정된 단금속 백금 및 백금-구리 촉매의 평균 입자 크기는 2-3나노미터입니다.

구리-백금 비율이 증가함에 따라 촉매의 X-선 흡수 미세 구조 스펙트럼에서 산란 패턴의 변화는 구리 함량이 증가하는 바이메탈 나노 입자의 형성을 시사합니다. 백금 및 백금-구리 촉매의 XRD 패턴은 그 조성이 정렬된 합금의 이상적인 조성과 다르며 백금과 구리가 촉매에서 무질서한 고용체 구조를 형성함을 나타내는 초격자 회절의 피크가 없음을 보여주었습니다. 회절 피크는 구리-백금 비율이 증가함에 따라 더 높은 각도로 이동하여 용액이 구리에서 더 풍부해짐을 확인합니다.

일단 마스터하면 함침 단계를 약 1시간 안에 완료할 수 있으며 균일한 조성을 가진 작은 입자와 같은 일관성을 유지할 수 있습니다. 함침으로 금속 합금을 준비할 때 용액의 pH 값을 조정하고 지지체의 유형에 따라 적절한 금속 착물을 사용하는 것이 중요합니다. 용액 부피는 지지체의 기공 부피와 같아야 합니다.

이 동영상을 시청한 후에는 지지된 바이메탈 촉매를 합성하고 알칸 탈수소화 성능을 테스트하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 이 방법은 광범위하게 적용 할 수 있으며 다양한 촉매 조성 및 많은 화학 반응에 사용할 수 있습니다. 금속 촉매가 있는 상태에서 수소를 공기와 혼합하는 것은 매우 위험하며 폭발을 유발할 수 있음을 잊지 마십시오.

촉매에 수소를 첨가하기 전과 후에 항상 질소로 반응기를 퍼지해야 합니다.