Синтез и испытание поддерживаемых твердых растворов Pt-Cu Наночастицы для дегидрирования пропана

Общая цель данного исследования заключается в синтезе новых биметаллических катализаторов с малым однородным размером частиц и проверке их эффективности на предмет дегидрирования алканов. Цель состоит в том, чтобы понять фундаментальные принципы, которые приводят к высокой селективности олефинов, высокой скорости, длительному сроку службы и термической стабильности. Этот метод синтеза катализатора оптимизирует закрепление металлических форм и носителей путем приготовления раствора с pH, который заряжает поверхность носителя и проверяет ионы металлов с противоположным зарядом.

Для достижения малых размеров частиц необходим тщательный контроль температур прокаливания и восстановления, совместная пропитка правильно подобранных прекурсоров металлов обеспечивает сильное биметаллическое взаимодействие, которое в конечном итоге контролирует активность и селективность. После подготовки мы измеряем скорость, селективность и стабильность катализаторов для дегидрирования алканов, чтобы определить различия в характеристиках с составом катализатора и соотнести их со структурой. Сначала осторожно взвесьте примерно пять граммов сухого кремнезема на бумаге для взвешивания и переложите его в чашку для взвешивания.

Во время перемешивания добавляйте воду по каплям, пока диоксид кремния не станет полностью влажным, но без избытка раствора. Затем повторно взвесьте влажный диоксид кремния, чтобы рассчитать количество поглощенной воды и определить объем пор кремнеземного носителя. Чтобы приготовить раствор прекурсора, растворите 0,125 грамма тригидрата нитрата меди в одном миллилитре воды в небольшой мерзости до получения небесно-голубого раствора.

Добавляйте аммиак по каплям в медно-нитратный раствор, образуя темно-синие осадки гидроксида меди. Продолжайте добавлять аммиак до тех пор, пока темно-синие осадки не растворятся, образуя темно-синий раствор, а pH не станет выше 10. Далее добавьте в раствор 0,198 грамма тетраамминплатиновой селитры.

Затем добавьте воду так, чтобы общий объем раствора составил 3,5 миллилитра, что соответствует объему пор пятиграммовой силиконовой подложки. Нагрейте раствор до 70 градусов Цельсия до тех пор, пока все соли тетраамминплатиновой селитры не растворятся. Дав растворенному раствору прекурсора металлов остыть до комнатной температуры, добавьте несколько капель за раз до пяти граммов диоксида кремния в керамическую чашку для испарения и осторожно перемешайте, чтобы разбить слипшиеся частицы для достижения однородного распределения раствора.

Высушите пропитанный кремнеземом катализатор с соотношением меди и платины 0,7 в духовке при температуре 125 градусов Цельсия в течение ночи. На следующий день охлажденный предшественник катализатора прокалить в печи при температуре 250 градусов Цельсия при постоянной скорости нарастания в пять градусов Цельсия на воздухе в течение трех часов. Далее перенесите кальцинированный катализатор в трубчатую печь для восстановления.

Поместите слой кварцевой ваты толщиной в один дюйм в середину реактора с кварцевой трубкой диаметром в один дюйм и загрузите охлажденный кальцинированный катализатор в трубку через пластиковую воронку. Затем поместите трубку в раскладушку с запрограммированной температурой печи. После продувки трубки азотом в течение пяти минут при комнатной температуре переключите поток на 5% водорода, сбалансированного по азоту с той же скоростью потока, что и азот, чтобы уменьшить воздействие катализатора.

Увеличьте температуру до 150 градусов Цельсия с постоянным нарастанием в пять градусов Цельсия и подержите пять минут. Теперь начните медленно повышать температуру со скоростью от 2,5 градусов Цельсия в минуту до 250 градусов Цельсия, удерживая температуру в течение 15 минут после каждого повышения температуры на 25 градусов Цельсия. Поднимитесь до 550 градусов Цельсия со скоростью 10 градусов Цельсия в минуту и оставайтесь в течение 30 минут, чтобы завершить снижение.

Переключите поток 5%-ного водорода обратно на чистый азот, чтобы продуть систему и охладить до комнатной температуры. Затем выгрузите катализатор и храните его во флаконе для дальнейшего использования. Поместите полудюймовый слой кварцевой ваты на углубление в середине реактора с кварцевой трубкой диаметром 3/8 дюйма.

Затем смешайте 40 миллиграммов предшественника катализатора на основе диоксида кремния с соотношением меди и платины 0,7 и 960 миллиграммов диоксида кремния в пустом флаконе, чтобы разбавить катализатор. С помощью пластиковой воронки загрузите каталитическую смесь в трубчатый реактор. Протрите внешнюю стенку обоих концов трубки безворсовыми салфетками, чтобы удалить грязь и обеспечить хорошее уплотнение уплотнительного кольца.

Соедините трубчатые фитинги с обоими концами реактора из кварцевой трубы и прикрепите их к реакторной системе, оборудованной грейферной печью. После этого включите подачу азота через трубчатый реактор. Через минуту закройте шаровой кран на выходе из реактора.

Дождавшись, пока давление в системе увеличится до пяти фунтов на квадратный дюйм манометра, закройте шаровой кран на входной азотной линии, чтобы остановить поток азота и герметизировать систему реактора. Через минуту запишите показания давления с манометра. Откройте шаровой кран на выходе из реактора, чтобы сбросить давление перед повторным запуском потока азота, включив шаровой кран на входе азотной линии для продувки системы в течение одной минуты.

Перед запуском реакции запустите поток водорода, разведенного в азоте для восстановления катализатора, и остановите поток азота. Начните нагревать трубчатый реактор до 550 градусов Цельсия со скоростью 10 градусов Цельсия. Для тестирования реакции дегидрирования пропана запустите газовый хроматограф (ГХ) в реакторной системе и выберите подходящий метод анализа газовых компонентов.

Теперь переключите поток газа реактора на байпасную линию. Расход 100 кубических сантиметров в минуту 5% пропана и азота, разведенного в 5%, водорода, разведенного в азоте. После того как поток пропана стабилизируется, введите байпасный поток в ГХ в качестве эталонного образца.

Затем переключите поток газа обратно в трубку реактора, чтобы начать реакцию и записать время. После того как реакция продлится четыре минуты, введите поток газа на выходе реактора в газовую хроматографию, чтобы получить информацию о компонентах газа на выходе. Наконец, используйте соответствующее программное обеспечение для анализа пиков для анализа каждого пика.

Здесь представлена селективность пропилена во времени для платиновых и платино-медных катализаторов. В то время как селективность пропилена платиновых катализаторов снижается при более высокой конверсии, катализатор на основе диоксида кремния с соотношением меди и платины 7,3 сохраняет высокую селективность пропилена при различных конверсиях пропана. Селективность катализатора увеличивается почти линейно с увеличением содержания меди в платино-медных катализаторах.

Более высокое содержание меди также улучшает скорость оборота на моль поверхностной платины при дегидрировании пропана. Существует близкая к линейной зависимость между скоростью оборота и атомным соотношением катализатора меди и платины с углеродным балансом, близким к 100% во время всех реакционных испытаний. Средний размер частиц монометаллических платиновых и платино-медных катализаторов, определенный с помощью визуализации ствола, составляет от двух до трех нанометров.

Изменение картины рассеяния в спектрах тонкой структуры рентгеновского поглощения катализаторов с увеличением соотношения меди и платины позволяет предположить образование биметаллических наночастиц с увеличением содержания меди. Рентгеноструктурная структура платиновых и платино-медных катализаторов показала, что их состав отличается от идеального состава упорядоченных сплавов и отсутствует пик от дифракции сверхрешетки, что указывает на то, что платина и медь образуют в катализаторах неупорядоченную структуру твердого раствора. Дифракционные пики смещаются на более высокие углы с увеличением соотношения меди и платины, что подтверждает, что твердый раствор становится более богатым медью.

После освоения, этап пропитки может быть выполнен примерно за один час, а консистенция похожа на мелкие частицы с однородным составом. При приготовлении металлических сплавов путем пропитки важно отрегулировать значение pH раствора и использовать соответствующие комплексы металлов в соответствии с типом носителя. Объем раствора должен быть равен объему пор опоры.

После просмотра этого видео вы должны хорошо понять, как синтезировать поддерживаемые биметаллические катализаторы и проверить их эффективность дегидрирования алканов. Этот метод широко применим и может быть использован для различных каталитических композиций и для многих химических реакций. Не стоит забывать, что смешивание водорода с воздухом в присутствии металлического катализатора крайне опасно и может привести к взрывам.

Вы всегда должны продувать реактор азотом до и после добавления водорода в катализатор.