Synthese en testen van ondersteunde Pt-Cu vaste oplossing Nanoparticle Catalysts voor Propa Dehydrogenation

Het algemene doel van dit onderzoek is het synthetiseren van nieuwe bimetallische katalysatoren met een kleine, uniforme deeltjesgrootte en het testen van hun prestaties voor alkaan-dehydrogenering. Het doel is om de fundamentele principes te begrijpen die leiden tot een hoge olefine-selectiviteit, een hoge snelheid, een lange levensduur en thermische stabiliteit. Deze methode voor katalysatorsynthese optimaliseert de verankering van metaalsoorten aan de drager door een oplossing te bereiden met een pH die het oppervlak van de drager oplaadt en metaalionen met een tegengestelde lading controleert.

Zorgvuldige beheersing van de calcinatie- en reductietemperaturen is noodzakelijk om een kleine deeltjesgrootte te bereiken; co-impregnatie van de juiste metaalprecursoren waarborgt een sterke bimetallische interactie, wat uiteindelijk de activiteit en selectiviteit bepaalt. Na de bereiding meten we de snelheden, selectiviteit en stabiliteit van de katalysatoren voor alkaan-dehydrogenering om de verschillen in prestaties op basis van de katalysatorsamenstelling te bepalen en deze te correleren met de structuur. Weeg eerst zorgvuldig ongeveer vijf gram droge silica af op weegpapier en breng dit over in een weegschaaltje.

Voeg tijdens het mengen druppelsgewijs water toe totdat de silica volledig is bevochtigd, maar zonder dat er een overschot aan oplossing aanwezig is. Weeg vervolgens de natte silica opnieuw om de hoeveelheid geabsorbeerd water te berekenen en het porievolume van de silica-drager te bepalen. Om de precursoroplossing te bereiden, wordt 0,125 gram kopernitraat-trihydraat opgelost in één milliliter water in een klein flaconnetje om een hemelblauwe oplossing te verkrijgen.

Voeg ammoniak druppelsgewijs toe aan de kopernitraatoplossing, waarbij donkerblauwe neerslagen van koperhydroxide ontstaan. Ga door met het toevoegen van ammoniak totdat de donkerblauwe neerslagen oplossen tot een donkerblauwe oplossing en de pH groter is dan 10. Voeg vervolgens 0,198 gram tetraammineplatinumnitraat toe aan de oplossing.

Voeg vervolgens water toe zodat het totale volume van de oplossing 3,5 milliliters is, wat overeenkomt met het porievolume van vijf gram silicadrager. Verhit de oplossing tot 70 graden Celsius totdat alle tetraammineplatina-nitraatzouten zijn opgelost. Nadat de opgeloste metaalprecursoroplossing is afgekoeld tot kamertemperatuur, voegt u deze telkens enkele druppels tegelijk toe aan vijf gram silica in een keramische verdampingsschaal en roert u voorzichtig om samengeklonterde deeltjes te verbreken, zodat een homogene verdeling van de oplossing wordt bereikt.

Droog de geïmpregneerde silica-gedragen katalysator met een koper-platinaverhouding van 0,7 in een oven bij 125 °C gedurende de nacht. Calcineer de afgekoelde katalysatorprecursor de volgende dag in een oven bij 250 °C in lucht gedurende drie uur, met een constante opwarmingssnelheid van vijf °C. Verplaats de gecalcineerde katalysator vervolgens naar een buisoven voor reductie.

Plaats een laag kwartswol van één inch in het midden van een kwartsbuisreactor van één inch en vul de gekoelde gecalcineerde katalysator in de buis via een plastic trechter. Plaats de buis vervolgens in een clamshell-oven met temperatuurprogrammering. Nadat de buis vijf minuten bij kamertemperatuur is gespoeld met stikstof, wordt de stroom omgeschakeld naar 5% waterstof in een stikstofmatrix met dezelfde stroomsnelheid als de stikstof om de katalysator te reduceren.

Verhoog de temperatuur naar 150 °C met een constante opwarmingssnelheid van 5 °C en houd dit vijf minuten vol. Start vervolgens een langzame temperatuurstijging met een snelheid van 2,5 °C per minuut tot 250 °C, waarbij de temperatuur na elke stijging van 25 °C gedurende 15 minuten constant wordt gehouden. Verwarm tot 550 °C met een snelheid van 10 °C per minuut en houd dit 30 minuten aan om de reductie te voltooien.

Schakel de flow van 5% waterstof terug naar zuivere stikstof om het systeem te spoelen en af te koelen tot kamertemperatuur. Haal vervolgens de katalysator eruit en bewaar deze in een vial voor toekomstig gebruik. Plaats een laag kwartswol van een halve inch tegen de inkeping in het midden van een kwartsbuisreactor van 3/8 inch.

Meng vervolgens 40 milligram van de op silica gedragen katalysatorprecursor met een koper-platinaverhouding van 0,7 en 960 milligram van de silica in een leeg vial om de katalysator te verdunnen. Breng het katalysatormengsel met behulp van een plastic trechter in de buisreactor. Veeg de buitenwand van beide uiteinden van de buis af met pluisvrije doekjes om vuil te verwijderen en een goede afdichting met de O-ring te verkrijgen.

Verbind de buiskoppelingen met beide uiteinden van de kwartsbuisreactor en bevestig deze aan het reactorsysteem dat is uitgerust met een clamshell-oven. Zet vervolgens de stikstofflow door de buisreactor aan. Sluit na één minuut de kogelkraan aan de uitlaat van de reactor.

Wacht tot de systeemdruk is gestegen naar five pounds per square inch gauge en sluit vervolgens de kogelkraan van de stikstofinlaatleiding om de stikstofstroom te stoppen en het reactorsysteem af te sluiten. Noteer na één minuut de drukwaarde van de manometer. Open de kogelkraan van de reactoruitlaat om de druk te ontlasten voordat de stikstofstroom opnieuw wordt gestart door de kogelkraan van de stikstofinlaatleiding te openen om het systeem gedurende één minuut te spoelen.

Begin met het doorstromen van waterstof verdund in stikstof voor de reductie van de katalysator voordat de reactie wordt gestart, en stop vervolgens de stikstofstroom. Begin met het verwarmen van de buisreactor tot 550 °C met een opwarmsnelheid van 10 °C. Start voor het testen van de propaan-dehydrogenatiereactie de gaschromatograaf, of GC, in het reactorsysteem en selecteer de juiste methode voor de analyse van de gascomponenten.

Schakel nu de gasstroom van de reactor over naar een bypasslijn. Laat 100 kubieke centimeter per minuut van 5%propaan en stikstof, verdund in 5%waterstof verdund in stikstof, stromen. Nadat de propaanstroom is gestabiliseerd, wordt de bypassstroom als referentiemonster in de GC geïnjecteerd.

Schakel vervolgens de gasstroom terug naar de reactorbuisleiding om de reactie te starten en noteer het tijdstip. Nadat de reactie vier minuten heeft gelopen, wordt de gasstroom uit de reactoruitlaat in de GC geïnjecteerd om informatie over de componenten van het uitlaatgas te verkrijgen. Gebruik tot slot de bijbehorende software voor piekanalyse om elke piek te analyseren.

De propyleenselectiviteit ten opzichte van de tijd voor platina- en platina-koperkatalysatoren wordt hier gepresenteerd. Hoewel de propyleenselectiviteit van de platinakatalysatoren afneemt bij een hogere conversie, behoudt de op silica gedragen katalysator met een koper-platinaverhouding van 7,3 een hoge propyleenselectiviteit bij verschillende propaanconversies. De selectiviteit van de katalysator neemt bijna lineair toe met het kopergehalte in de platina-koperkatalysatoren.

Een hoger kopergehalte verbetert ook de omzetsnelheden per mol oppervlakteplatina voor propaan-dehydrogenering. Er is een bijna lineaire relatie tussen de omzetsnelheid en de atomaire ratio van koper ten opzichte van platina in de katalysator, waarbij de koolstofbalans tijdens alle reactietests dicht bij de 100% ligt. De gemiddelde deeltjesgrootte van de monometallische platina- en platina-koperkatalysatoren, bepaald via stem-imaging, ligt tussen de twee en drie nanometer.

De verandering van het verstrooiingspatroon in de x-ray absorption fine structure-spectra van de katalysatoren bij een toenemende koper-platina-verhouding suggereert de vorming van bimetallische nanodeeltjes met een toenemend kopergehalte. Het XRD-patroon van platina- en platina-koperkatalysatoren toonde aan dat hun samenstelling afwijkt van de ideale samenstelling van geordende legeringen en dat er geen piek is van superroosterdiffractie, wat erop wijst dat platina en koper een ongeordende vaste-oplossingsstructuur vormen in de katalysatoren. De diffractiepieken verschuiven naar hogere hoeken bij een toenemende koper-platina-verhouding, wat bevestigt dat de vaste oplossing rijker wordt aan koper.

Zodra de methode onder de knie is, kan de impregnatiestap in ongeveer een uur worden voltooid, waarbij een consistentie van kleine deeltjes met een uniforme samenstelling wordt verkregen. Bij het bereiden van metaallegeringen via impregnatie is het belangrijk om de pH-waarde van de oplossing aan te passen en geschikte metaalcomplexen te gebruiken, afhankelijk van het type drager. Het volume van de oplossing moet gelijk zijn aan het porievolume van de drager.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe ondersteunde bimetallische katalysatoren worden gesynthetiseerd en hoe hun prestaties bij alkaan-dehydrogenering worden getest. Deze methode is breed toepasbaar en kan worden gebruikt voor verschillende katalysatorsamenstellingen en voor vele chemische reacties. Vergeet niet dat het mengen van waterstof met lucht in de aanwezigheid van een metallische katalysator uiterst gevaarlijk is en tot explosies kan leiden.

De reactor moet altijd met stikstof worden gespoeld vóór en na de toevoeging van waterstof aan de katalysator.