Propan Dehidrojenasyon için Desteklenen Pt-Cu Katı Solüsyon Nanopartikül Katalizörlerinin Sentezi ve Testi

Bu araştırmanın genel amacı, küçük ve tekdüze partikül boyutuna sahip yeni bimetalik katalizörler sentezlemek ve bunların alkan dehidrojenasyonu performanslarını test etmektir. Amaç; yüksek olefin seçiciliği, yüksek hız, uzun ömür ve termal kararlılığa yol açan temel prensipleri anlamaktır. Bu katalizör sentez yöntemi, destek yüzeyini yükleyen bir pH değerine sahip bir çözelti hazırlayarak ve zıt yüklü metal iyonlarını kontrol ederek, metal türlerinin desteğe sabitlenmesini optimize eder.

Küçük partikül boyutuna ulaşmak için kalsinasyon ve indirgeme sıcaklıklarının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekir; uygun şekilde seçilmiş metal öncüllerinin birlikte emprenye edilmesi, nihayetinde aktiviteyi ve seçiciliği kontrol eden güçlü bir bimetalik etkileşim sağlar. Hazırlama işleminden sonra, katalizör bileşimi ile performans arasındaki farkları belirlemek ve bunları yapıyla ilişkilendirmek için katalizörlerin alkan dehidrojenasyonu için hızlarını, seçiciliğini ve stabilitesini ölçeriz. İlk olarak, yaklaşık beş gram kuru silikayı tartım kağıdı üzerinde dikkatlice tartın ve bir tartım kabına aktarın.

Karıştırma işlemi sırasında, silika tamamen ıslanana kadar, ancak fazla çözelti kalmayacak şekilde damla damla su ekleyin. Ardından, emilen su miktarını hesaplamak ve silika desteğin gözenek hacmini belirlemek için ıslak silikayı yeniden tartın. Prekürsör çözeltiyi hazırlamak için, gökyüzü mavisi renginde bir çözelti elde etmek amacıyla küçük bir flakonda 1 ml suda 0,125 gram bakır nitrat trihidrat çözün.

Bakır nitrat çözeltisine, bakır hidroksitin koyu mavi çökeleklerini oluşturacak şekilde damla damla amonyak ekleyin. Koyu mavi çökelekler çözünüp koyu mavi bir çözelti oluşana ve pH 10'un üzerine çıkana kadar amonyak eklemeye devam edin. Ardından, çözeltiye 0.198 gram tetraamminplatin nitrat ekleyin.

Ardından, çözeltinin toplam hacmi, beş gramlık silika desteğin gözenek hacmiyle eşleşecek şekilde 3,5 mililitre olana kadar su ekleyin. Tüm tetraammineplatinum nitrat tuzları çözünene kadar çözeltiyi 70 degrees Celsius'ye ısıtın. Çözünmüş metal öncül çözeltisinin oda sıcaklığına soğumasını bekledikten sonra, seramik bir buharlaştırma kabındaki beş gram silikaya azar azar birkaç damla ekleyin ve çözeltinin homojen bir dağılımını sağlamak için birbirine yapışan partikülleri ayırmak amacıyla nazikçe karıştırın.

Bakır-platin oranı 0,7 olan emprenye edilmiş silika destekli katalizörü bir fırında 125 °C'de gece boyunca kurutun. Ertesi gün, soğumuş katalizör öncülünü bir fırında, havada, 5 °C sabit rampa hızıyla 250 °C'de üç saat boyunca kalsine edin. Ardından, kalsine edilmiş katalizörü indirgeme için bir tüp fırına aktarın.

Bir inçlik kuvars tüp reaktörün ortasına bir inç kalınlığında kuvars yünü yerleştirin ve soğutulmuş kalsine katalizörü plastik bir huni yardımıyla tüpe doldurun. Ardından, tüpü istemsel sıcaklık programlı bir fırına yerleştirin. Tüpü oda sıcaklığında beş dakika boyunca nitrojen ile süpürdükten sonra, katalizörü indirgemek için akışı, nitrojen ile aynı debide, nitrojen dengeli %5 hidrojen akışına çevirin.

Sıcaklığı, dakikada 5 °C sabit artış hızıyla 150 °C'ye çıkarın ve beş dakika boyunca bekletin. Şimdi, sıcaklığı dakikada 2.5 °C hızla yavaşça artırarak 250 °C'ye yükseltin ve her 25 °C'lik artıştan sonra sıcaklığı 15 dakika boyunca sabit tutun. Sıcaklığı dakikada 10 °C hızla 550 °C'ye çıkarın ve indirgeme işlemini tamamlamak için 30 dakika boyunca bu sıcaklıkta kalın.

Sistemi temizlemek ve oda sıcaklığına soğutmak için %5 hidrojen akışını tekrar saf azota çevirin. Ardından, katalizörü boşaltın ve gelecekte kullanmak üzere bir viyale koyup saklayın. 3/8 inçlik bir kuvars tüp reaktörün ortasındaki çukura karşı yarım inç kalınlığında kuvars yünü yerleştirin.

Ardından, katalizörü seyreltmek için 0,7 bakır-platin oranına sahip 40 miligram silika destekli katalizör öncüsünü ve 960 miligram silikayı boş bir flakon içerisinde karıştırın. Plastik bir huni kullanarak katalizör karışımını tüp reaktöre doldurun. Herhangi bir kiri temizlemek ve O-ring ile iyi bir sızdırmazlık sağlamak için her iki tüp ucunun dış duvarını tüy bırakmayan mendillerle silin.

Tüp bağlantılarını kuvars tüp reaktörün her iki ucuna bağlayın ve bunları clamshell fırın donanımlı reaktör sistemine takın. Ardından, tüp reaktör üzerinden azot akışını başlatın. Bir dakika sonra, reaktör çıkışındaki küresel vanayı kapatın.

Sistem basıncının beş psi (pound per square inch gauge) değerine yükselmesini bekledikten sonra, azot akışını durdurmak ve reaktör sistemini mühürlemek için giriş azot hattındaki küresel vanayı kapatın. Bir dakika sonra, manometredeki basınç değerini kaydedin. Azot akışını yeniden başlatıp sistemi bir dakika boyunca temizlemek için giriş azot hattındaki küresel vanayı açmadan önce, basıncı tahliye etmek için reaktör çıkışındaki küresel vanayı açın.

Reaksiyonu başlatmadan önce katalizör indirgemesi için azotla seyreltilmiş hidrojen akışını başlatın ve ardından azot akışını durdurun. Tüp reaktörü 10 °C'lik bir hızla 550 °C'ye ısıtmaya başlayın. Propan dehidrojenasyon reaksiyon testi için reaktör sistemindeki gaz kromatografını (GC) çalıştırın ve gaz bileşen analizi için uygun yöntemi seçin.

Şimdi, reaktör gaz akışını bir bypass hattına yönlendirin. Azot içinde seyreltilmiş %5 propan ve azot içinde seyreltilmiş %5 hidrojen karışımını dakikada 100 santimetreküp hızla akıtın. Propan akışı stabilize olduktan sonra, referans numune olarak bypass akışını GC'ye enjekte edin.

Ardından, reaksiyonu başlatmak için gaz akışını tekrar reaktör tüp hattına yönlendirin ve zamanı kaydedin. Reaksiyon dört dakika boyunca sürdükten sonra, çıkış gazı bileşen bilgilerini elde etmek için reaktör çıkış gaz akışını GC'ye enjekte edin. Son olarak, her bir piki analiz etmek için ilgili pik analiz yazılımını kullanın.

Platin ve platin-bakır katalizörler için zamana karşı propilen seçicliği burada sunulmuştur. Platin katalizörlerin propilen seçiciliği daha yüksek dönüşümde azalırken, bakır-platin oranı 7,3 olan silika destekli katalizör, farklı propan dönüşümlerinde yüksek propilen seçicliğini korumaktadır. Katalizörün seçiciliği, platin-bakır katalizörlerdeki bakır içeriği ile neredeyse doğrusal olarak artmaktadır.

Daha yüksek bakır içeriği, propan dehidrojenasyonu için yüzey platininin mol başına devir hızlarını da artırır. Tüm reaksiyon testleri boyunca karbon dengesinin %100'e yakın olduğu, devir hızı ile katalizörün bakır-platin atomik oranı arasında doğrusal yakınlıkta bir ilişki vardır. STEM görüntüleme ile belirlenen monometalik platin ve platin-bakır katalizörlerin ortalama partikül boyutu iki ile üç nanometre arasındadır.

Katalizörlerin X-ışını absorbsiyon ince yapı spektrumlarındaki saçılma deseninin artan bakır-platin oranıyla birlikte değişmesi, artan bakır içeriğiyle birlikte bimetalik nanoparçacıkların oluştuğunu göstermektedir. Platin ve platin-bakır katalizörlerin XRD deseni, bileşimlerinin düzenli alaşımların ideal bileşiminden farklı olduğunu ve süper örgü kırınımından kaynaklanan herhangi bir pik bulunmadığını göstermiştir; bu durum, katalizörlerde platin ve bakırın düzensiz bir katı çözelti yapısı oluşturduğunu belirtmektedir. Kırınım piklerinin artan bakır-platin oranıyla birlikte daha yüksek açılara kayması, katı çözeltinin bakır açısından daha zengin hale geldiğini doğrulamaktadır.

Yöntem kavrandıktan sonra, emprenye adımı yaklaşık bir saatte tamamlanabilir ve üniform kompozisyona sahip küçük parçacıklar şeklinde bir tutarlılık elde edilir. Emprenye yoluyla metalik alaşımlar hazırlanırken, çözeltinin pH değerini ayarlamak ve destek tipine uygun metal kompleksleri kullanmak önemlidir. Çözelti hacmi, desteğin gözenek hacmine eşit olmalıdır.

Bu videoyu izledikten sonra, destekli bimetalik katalizörlerin nasıl sentezleneceği ve alkan dehidrojenasyon performanslarının nasıl test edileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Bu yöntem geniş çapta uygulanabilir olup farklı katalizör bileşimleri ve birçok kimyasal reaksiyon için kullanılabilir. Metalik bir katalizör varlığında hidrojenin hava ile karıştırılmasının son derece tehlikeli olduğunu ve patlamalara yol açabileceğini unutmayın.

Katalizöre hidrojen eklemeden önce ve sonra reaktörü her zaman azotla temizlemelisiniz.