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

Bu araştırmanın genel amacı, küçük tekdüze parçacık boyutuna sahip yeni bimetalik katalizörleri sentezlemek ve alkan dehidrojenasyonu için performanslarını test etmektir. Amaç, yüksek olefin seçiciliği, yüksek oran, uzun ömür ve termal stabiliteye yol açan temel prensipleri anlamaktır. Bu katalizör sentezi yöntemi, destek yüzeyini yükleyen ve zıt yüklü metal iyonlarını kontrol eden bir pH'a sahip bir çözelti hazırlayarak metal türlerinin ankrajını ve desteğini optimize eder.

Küçük partikül boyutu elde etmek için kalsinasyon ve indirgeme sıcaklıklarının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekir, uygun şekilde seçilmiş metal öncüllerin birlikte emprenye edilmesi, sonuçta aktiviteyi ve seçiciliği kontrol eden güçlü bimetalik etkileşim sağlar. Hazırlandıktan sonra, katalizör bileşimi ile performans farklılıklarını belirlemek ve bunları yapı ile ilişkilendirmek için alkan dehidrojenasyonu için katalizörlerin oranlarını, seçiciliğini ve stabilitesini ölçüyoruz. İlk olarak, yaklaşık beş gram kuru silikayı tartı kağıdına dikkatlice tartın ve bir tartı kabına aktarın.

Karıştırırken, silika tamamen ıslanana kadar, ancak fazla çözelti olmadan damla damlasına su ekleyin. Ardından, emilen su miktarını hesaplamak ve silika desteğinin gözenek hacmini belirlemek için ıslak silikayı yeniden tartın. Öncü çözeltiyi hazırlamak için, gök mavisi bir çözelti elde etmek için 0.125 gram bakır nitrat trihidratı bir mililitre suda küçük bir aşağılık içinde çözün.

Bakır-nitrat çözeltisine damla damla amonyak ekleyin ve koyu mavi bakır hidroksit çökeltileri oluşturun. Koyu mavi çökeltiler çözülerek koyu mavi bir çözelti oluşturana ve pH 10'dan büyük olana kadar amonyak eklemeye devam edin. Daha sonra, çözeltiye 0.198 gram tetraaminplatin nitrat ekleyin.

Ardından, çözeltinin toplam hacmi, beş gramlık silika desteğinin gözenek hacmine uyan 3,5 mililitre olacak şekilde su ekleyin. Tüm tetraaminplatin nitrat tuzları çözülene kadar çözeltiyi 70 santigrat dereceye ısıtın. Çözünmüş metal öncü çözeltisinin oda sıcaklığına soğumasına izin verdikten sonra, seramik bir buharlaştırma kabında beş gram silikaya her seferinde birkaç damla ekleyin ve çözeltinin homojen bir dağılımını elde etmek için birbirine yapışan parçacıkları parçalamak için hafifçe karıştırın.

Bakır-platin oranı 0,7 olan emprenye edilmiş silika destekli katalizörü gece boyunca 125 santigrat derecede bir fırında kurutun. Ertesi gün, soğutulmuş katalizör öncüsünü 250 santigrat derecede bir fırında, üç saat boyunca havada beş santigrat derece kalıcı rampa hızıyla kalsine edin. Daha sonra, kalsine katalizörü indirgeme için bir tüp fırınına aktarın.

Bir inçlik bir kuvars tüp reaktörünün ortasına bir inçlik bir kuvars yünü tabakası yerleştirin ve soğutulmuş kalsine katalizörü plastik bir huni vasıtasıyla tüpe yükleyin. Ardından, tüpü kapaklı sıcaklık programlanmış bir fırına yerleştirin. Tüpü oda sıcaklığında beş dakika boyunca nitrojenle temizledikten sonra, katalizörü azaltmak için akışı, nitrojen ile aynı akış hızında nitrojen açısından dengelenmiş %5 hidrojene geçirin.

Beş santigrat derece kalıcı rampa hızı ile sıcaklığı 150 santigrat dereceye yükseltin ve beş dakika basılı tutun. Şimdi, her 25 santigrat derece artıştan sonra sıcaklığı 15 dakika tutarak dakikada 2,5 santigrat derece ila 250 santigrat derece arasında yavaş yavaş artırmaya başlayın. Dakikada 10 santigrat derecede 550 santigrat dereceye yükseltin ve azaltmayı tamamlamak için 30 dakika bekleyin.

Sistemi temizlemek ve oda sıcaklığına soğutmak için %5 hidrojen akışını tekrar saf nitrojene çevirin. Ardından, katalizörü boşaltın ve ileride kullanmak üzere bir şişede saklayın. 3/8 inçlik bir kuvars tüp reaktörünün ortasındaki çukura karşı yarım inçlik bir kuvars yünü tabakası yerleştirin.

Daha sonra, katalizörü seyreltmek için 40 miligram silika destekli katalizör öncüsünü 0.7 ve 960 miligram silikan bakır-platin oranı ile boş bir şişede karıştırın. Plastik bir huni kullanarak katalizör karışımını tüp reaktörüne yükleyin. Kirleri temizlemek ve O-ring ile iyi bir sızdırmazlık sağlamak için her iki boru ucunun dış duvarını tüy bırakmayan mendillerle silin.

Boru bağlantı parçalarını kuvars tüp reaktörünün her iki ucuna bağlayın ve bunları kapaklı bir fırınla donatılmış reaktör sistemine takın. Bunu takiben, tüp reaktöründen nitrojen akışını açın. Bir dakika sonra reaktör çıkışındaki küresel vanayı kapatın.

Sistem basıncının inç kare başına beş pound'a yükselmesini bekledikten sonra, nitrojen akışını durdurmak ve reaktör sistemini kapatmak için giriş nitrojen hattındaki küresel vanayı kapatın. Bir dakika sonra, göstergeden gelen basınç okumasını kaydedin. Sistemi bir dakika boyunca boşaltmak için giriş nitrojen hattındaki küresel vanayı açarak nitrojen akışını yeniden başlatmadan önce basıncı boşaltmak için reaktör çıkışındaki küresel vanayı açın.

Reaksiyonu çalıştırmadan önce katalizörün azaltılması için nitrojen içinde seyreltilmiş hidrojeni akıtmaya başlayın ve nitrojen akışını durdurun. Tüp reaktörünü 10 santigrat derece ile 550 santigrat dereceye ısıtmaya başlayın. Propan dehidrojenasyon reaksiyonu testi için, reaktör sisteminde gaz kromatografını veya GC'yi başlatın ve gaz bileşeni analizi için uygun yöntemi seçin.

Şimdi, reaktör gazı akışını bir baypas hattına geçirin. Azot içinde seyreltilmiş %5 hidrojende seyreltilmiş %5 propan ve nitrojen dakikada 100 santimetreküp akış. Propan akışı stabilize olduktan sonra, baypas akışını referans numune olarak GC'ye enjekte edin.

Ardından, reaksiyonu başlatmak ve zamanı kaydetmek için gaz akışını reaktör tüpü hattına geri getirin. Reaksiyon dört dakika boyunca çalıştıktan sonra, çıkış gazı bileşen bilgilerini almak için reaktör çıkış gazı akışını GC'ye enjekte edin. Son olarak, her bir zirveyi analiz etmek için ilgili tepe analiz yazılımını kullanın.

Platin ve platin-bakır katalizörler için zamana karşı propilen seçiciliği burada sunulmaktadır. Platin katalizörlerinin propilen seçiciliği daha yüksek dönüşümde azalırken, bakır-platin oranı 7.3 olan silika destekli katalizör, farklı propan dönüşümlerinde yüksek propilen seçiciliğini korur. Katalizörün seçiciliği, platin-bakır katalizörlerdeki bakır içeriği ile neredeyse doğrusal olarak artar.

Daha yüksek bakır içeriği, propan dehidrojenasyonu için yüzey platininin molü başına devir oranlarını da iyileştirir. Tüm reaksiyon testleri sırasında devir hızı ile bakırın platinin katalizör atomik oranı arasında doğrusala yakın bir ilişki vardır ve karbon dengesi %100'e yakındır. Gövde görüntüleme ile belirlenen monometalik platin ve platin-bakır katalizörlerin ortalama parçacık boyutu iki ila üç nanometre arasındadır.

Bakır-platin oranının arttığı katalizörlerin x-ışını absorpsiyon ince yapı spektrumlarındaki saçılma modelinin değişmesi, artan bakır içeriğine sahip bimetalik nanopartiküllerin oluşumunu düşündürmektedir. Platin ve platin-bakır katalizörlerinin XRD modeli, bileşimlerinin sıralı alaşımların ideal bileşiminden farklı olduğunu ve platin ve bakırın katalizörlerde düzensiz bir katı çözelti yapısı oluşturduğunu gösteren süperkafes kırınımından bir tepe noktası olmadığını gösterdi. Kırınım tepe noktaları, bakır-platin oranının artmasıyla daha yüksek açılara kayar ve katı çözeltinin bakır açısından daha zengin hale geldiğini doğrular.

Bir kez ustalaştıktan sonra, emprenye aşaması yaklaşık bir saat içinde yapılabilir ve kıvam, homojen bir bileşime sahip küçük parçacıklar gibi yapılabilir. Emprenye ile metalik alaşımlar hazırlarken, çözeltinin pH değerini ayarlamak ve desteğin türüne göre uygun metal kompleksleri kullanmak önemlidir. Çözelti hacmi, desteğin gözenek hacmine eşit olmalıdır.

Bu videoyu izledikten sonra, desteklenen bimetalik katalizörlerin nasıl sentezleneceğini ve alkan dehidrojenasyon performanslarının nasıl test edileceğini iyi anlamış olmalısınız. Bu yöntem geniş çapta uygulanabilir ve farklı katalizör bileşimleri ve birçok kimyasal reaksiyon için kullanılabilir. Metalik bir katalizörün varlığında hidrojeni hava ile karıştırmanın son derece tehlikeli olduğunu ve patlamalara yol açabileceğini unutmayın.

Katalizöre hidrojen eklenmeden önce ve sonra reaktörü her zaman nitrojen ile temizlemeniz gerekir.