專利名稱:一種用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化劑及制備方法。該催化劑是以Cr為主要活性組分、含Ce和Zr、以γ-Al2O3為擔(dān)體的負(fù)載型催化劑。
背景技術(shù):
乙烯是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料。目前,大部分乙烯是蒸汽裂解制取的,由于蒸汽裂解耗能很大,研究和開(kāi)發(fā)新的乙烯生產(chǎn)技術(shù)具有重要的意義。用O2作為氧化劑的乙烷脫氫制乙烯雖然比蒸汽裂解耗能較小,但O2的氧化性較強(qiáng),乙烯選擇性的提高比較困難。
近年來(lái),用CO2氧化乙烷制乙烯引起了國(guó)內(nèi)外的高度重視。其反應(yīng)式如下
M.Bhasin等在“Dehydrogenation and oxydehydrogenation of paraffins toolefins”(Applied Catalysis AGeneral,2001,Vol.221,pp.397-419)一文中評(píng)述到,用CO2氧化乙烷制乙烯具有反應(yīng)溫度低、不易結(jié)焦、乙烯選擇性高、不易生成C3烴類和乙炔等很多優(yōu)點(diǎn)。另外,反應(yīng)過(guò)程中可以將溫室氣體CO2變成了有用的CO,這對(duì)減少CO2的排放、保護(hù)環(huán)境也是非常有意義的。
目前,用于CO2氧化乙烷制乙烯的催化劑中,Cr-基催化劑是比較好的體系。如S.Wang等在“Dehydrogenation of ethane with carbon dioxide oversupported chromium oxide catalysts”(Applied Catalysis AGeneral,2000,Vol.196,pp.1-8)和“Effect of promoters on catalytic performance of Cr/SiO2catalysts in oxidative dehydrogenation of ethane with carbon dioxide”(CatalysisLetters,2001,Vol.73,pp.107-111)上報(bào)道,以8(wt)%Cr2O3/SiO2為催化劑,在650℃、CO2∶C2H6=5∶1的條件下,獲得了乙烷的轉(zhuǎn)化率為56.1%,乙烯的選擇性為92.9%的結(jié)果。N.Mimura等在“High-performanceCr/H-ZSM-5 catalysts for oxidative dehydrogenation of ethane to ethylene withCO2as an oxidant”(Catalysis Communications,2002,Vol.3,pp.257-262)上報(bào)道,Cr/H-ZSM-5(SiO2/Al2O3=1900)催化劑在923K、CO2∶C2H6=9∶1的條件下,獲得了乙烷的轉(zhuǎn)化率為68.2%,乙烯的選擇性為69.5%的結(jié)果。
從已有的報(bào)道可以看出,對(duì)于CO2氧化乙烷制乙烯的催化反應(yīng),Cr-基催化劑雖然有好的乙烷轉(zhuǎn)化率,但對(duì)乙烯的定向選擇性較低。同時(shí),由于Cr與SiO2、分子篩等載體有較強(qiáng)的相互作用,反應(yīng)過(guò)程中活性組分Cr較易團(tuán)聚,從而使催化劑的活性隨著反應(yīng)時(shí)間的增加有所下降。而乙烷催化轉(zhuǎn)化制乙烯的反應(yīng)中,乙烯的選擇性越高,碳資源的利用率也越高,因此,提高催化劑的活性,特別是乙烯的定向選擇性,對(duì)CO2氧化乙烷制乙烯的過(guò)程具有重要的意義。
Ce(1-x)ZrxO2固溶體由于具有較好的氧儲(chǔ)存/釋放能力和氧化-還原性能,在擔(dān)載貴金屬的汽車(chē)尾氣凈化三效催化劑中,表現(xiàn)出了很好的分散貴金屬活性組分的作用。但尚未見(jiàn)用于分散Cr和制備Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3催化劑的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種由CO2作為氧化劑氧化乙烷制乙烯的催化劑及制備方法,在提高催化性能的基礎(chǔ)上,提高對(duì)乙烯的定向選擇性。利用這種催化劑,乙烷與CO2反應(yīng)可高選擇性地生成乙烯。
本發(fā)明為一種用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化劑,以Cr為主要活性組分,以γ-Al2O3為擔(dān)體的負(fù)載型催化劑,其結(jié)構(gòu)式如下Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3式中x=0.1~0.9催化劑各組分的質(zhì)量百分含量為Cr為1~15%,Ce(1-x)ZrxO2(x=0.1~0.9)為2.5~50%,其余為γ-Al2O3。
本發(fā)明還提供了一種上述催化劑的制備方法,采用分步浸漬法制備,分復(fù)合載體制備和催化劑制備兩步完成,所用原料的質(zhì)量比為Cr(NO3)3·9H2O∶Ce(NO3)3·6H2O∶Zr(NO3)4·5H2O∶γ-Al2O3=(0.1~12)∶(0.1~8.9)∶(0.1~8.9)∶(3~22),具體制備過(guò)程如下A復(fù)合載體的制備將Ce(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O的水溶液混合均勻后,浸漬于粉末狀γ-Al2O3擔(dān)體上,經(jīng)干燥、焙燒先制成Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)復(fù)合載體;B催化劑的制備將Cr(NO3)39H2O的水溶液浸漬于步驟A的Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上,再經(jīng)干燥、焙燒,制得Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)催化劑。
在上述制備過(guò)程中,步驟A中,先將Ce(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O的水溶液混合均勻后,浸漬于粉末狀γ-Al2O3擔(dān)體上8~12小時(shí),于90℃~110℃下,干燥6~8小時(shí),在500℃下,焙燒4~6小時(shí),制成Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)的復(fù)合載體;在步驟B中,將Cr(NO3)3·9H2O溶于蒸餾水中,浸漬于步驟A得到的Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上8~12小時(shí),于90℃~110℃下,干燥8~10小時(shí),在400℃下,焙燒3~4小時(shí),在700℃下,再焙燒5~6小時(shí)制得Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)的催化劑。
在上述制備方法中,對(duì)所使用的Ce(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O的混合水溶液和Cr(NO3)3·9H2O的水溶液的濃度沒(méi)有特別要求,以能夠浸沒(méi)γ-Al2O3擔(dān)體為準(zhǔn)。
本發(fā)明采用分步浸漬法制備催化劑,最后一步浸漬的是含Cr的活性組分。因?yàn)镃r是浸漬在Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上的,從而可以減弱Cr與Al2O3的強(qiáng)相互作用,提高活性組分Cr的分散性,充分發(fā)揮Cr的催化活性。同時(shí),對(duì)CO2的氧化性能也有很好的促進(jìn)作用。
本發(fā)明可以得到一系列活性組分含量不同的催化劑,即催化劑組分的質(zhì)量百分含量范圍Cr在1~15%,Ce(1-x)ZrxO2(x=0.1~0.9)在2.5~50%,其余為γ-Al2O3的Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3催化劑。這些催化劑可以用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化反應(yīng)。
本發(fā)明的催化劑用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化反應(yīng)是在常壓微型固定床反應(yīng)裝置上進(jìn)行評(píng)價(jià)的。其反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度500~750℃,反應(yīng)壓力0.1Mpa(兆帕),反應(yīng)空速2400~6000ml/g-cat·h(毫升/小時(shí)·克催化劑),反應(yīng)的原料氣是摩爾比為0.125~0.25的C2H6/CO2混合氣與稀釋氣(N2)。使用本發(fā)明的催化劑進(jìn)行CO2氧化乙烷制乙烯的催化反應(yīng),獲得乙烷轉(zhuǎn)化率為41.34%~76.71%,乙烯選擇性為96.02%~98.84%。
通過(guò)二氧化碳氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià),本發(fā)明制備的Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3系列催化劑具有如下優(yōu)點(diǎn)①在較低的反應(yīng)溫度下,本發(fā)明制備的Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3催化劑對(duì)乙烯具有高的定向選擇性。
②Cr是浸漬在Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上的,由于Ce(1-x)ZrxO2固溶體具有很好的氧儲(chǔ)存/釋放能力和氧化-還原性能,從而減弱了Cr與Al2O3的強(qiáng)相互作用,提高了活性組分Cr的分散性,充分發(fā)揮了Cr的催化活性,促進(jìn)了CO2的氧化性能。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的效果作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1制備1wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.45克的γ-Al2O3粉末中,室溫放置8小時(shí),90℃下干燥6小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取0.38克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置12小時(shí),110℃下干燥10小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),再在700℃焙燒6小時(shí)制得1wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。
催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例2制備2wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.40克的γ-Al2O3粉末中,室溫放置12小時(shí),110℃下干燥8小時(shí),500℃焙燒6小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取0.77克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置8小時(shí),90℃下干燥8小時(shí),在400℃焙燒3小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得2wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例3制備4wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.30克的γ-Al2O3粉末中,室溫放置10小時(shí),100℃下干燥7小時(shí),500℃焙燒5小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取1.54克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置11小時(shí),100℃下干燥10小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得4wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例4制備6wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.20克γ-Al2O3粉末中,室溫放置12小時(shí),90℃下干燥6小時(shí),500℃焙燒5小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取2.31克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置12小時(shí),110℃下干燥5小時(shí),在400℃焙燒3小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得6wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例5制備10wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.00克γ-Al2O3粉末中,室溫放置12小時(shí),90℃下干燥5小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取3.85克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于6ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置11小時(shí),110℃下干燥10小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得10wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例6制備15wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.73克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.73克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于4ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于3.75克γ-Al2O3粉末中,室溫放置10小時(shí),110℃下干燥5小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取5.77克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于6ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置10小時(shí),110℃下干燥8小時(shí),在400℃焙燒3小時(shí),在700℃焙燒6小時(shí)制得15wt%Cr/10wt%Ce0.5Zr0.5O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例7制備6wt%Cr/2.5wt%Ce0.9Zr0.1O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.29克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.03克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.58克γ-Al2O3粉末中,室溫放置12小時(shí),110℃下干燥5小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.9Zr0.1O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取2.31克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.9Zr0.1O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置11小時(shí),110℃下干燥8小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得6wt%Cr/2.5wt%Ce0.9Zr0.1O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例8制備6wt%Cr/5wt%Ce0.7Zr0.3O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.48克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和0.20克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于5ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于4.45克γ-Al2O3粉末中,室溫放置11小時(shí),90℃下干燥8小時(shí),500℃焙燒5小時(shí),制成Ce0.7Zr0.3O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取2.31克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.7Zr0.3O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置12小時(shí),110℃下干8小時(shí),在400℃焙燒3小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得6wt%Cr/5wt%Ce0.7Zr0.3O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例9制備6wt%Cr/25wt%Ce0.3Zr0.7O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取1.18克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和2.72克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于6ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于3.45克γ-Al2O3粉末中,室溫放置10小時(shí),110℃下干燥6小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.3Zr0.7O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取2.31克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于5ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.3Zr0.7O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置12小時(shí),90℃下干燥12小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得6wt%Cr/25wt%Ce0.3Zr0.7O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
實(shí)施例10制備6wt%Cr/50wt%Ce0.1Zr0.9O2/Al2O3催化劑。按本發(fā)明制備方法,制備5克催化劑的原料用量如表1中所示。分別稱取0.85克分析純的Ce(NO3)3·6H2O和7.54克分析純的Zr(NO3)4·5H2O溶于8ml蒸餾水中,混合均勻后浸漬于2.20克γ-Al2O3粉末中,室溫放置12小時(shí),90℃下干燥6小時(shí),500℃焙燒4小時(shí),制成Ce0.1Zr0.9O2/Al2O3復(fù)合載體;然后稱取2.31克分析純的Cr(NO3)3·9H2O溶于4ml的蒸餾水中,浸漬于Ce0.1Zr0.9O2/Al2O3復(fù)合載體中,室溫放置12小時(shí),110℃下干燥10小時(shí),在400℃焙燒4小時(shí),在700℃焙燒5小時(shí)制得6wt%Cr/50wt%Ce0.1Zr0.9O2/Al2O3催化劑。催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2中。
表1是本發(fā)明的Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)系列催化劑的原料用量。
表2是實(shí)施例1~10的催化劑用于CO2氧化乙烷制乙烯催化反應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。由表2可以看出,本發(fā)明的Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)系列催化劑在保證具有一定乙烷轉(zhuǎn)化率的同時(shí),具有極好的乙烯定向選擇性。
表1
表2
權(quán)利要求
1.一種用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化劑,為一種以Cr為主要活性組分,以γ-Al2O3為擔(dān)體的負(fù)載型催化劑,其結(jié)構(gòu)式如下Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3式中x=0.1~0.9催化劑各組分的質(zhì)量百分含量為Cr為1~15%,Ce(1-x)ZrxO2(x=0.1~0.9)為2.5~50%,其余為γ-Al2O3。
2.一種權(quán)利要求1催化劑的制備方法,分復(fù)合載體制備和催化劑制備兩步完成,所用原料的質(zhì)量比為Cr(NO3)3·9H2O∶Ce(NO3)3·6H2O∶Zr(NO3)4·5H2O∶γ-Al2O3=(0.1~12)∶(0.1~8.9)∶(0.1~8.9)∶(3~22),具體步驟如下A復(fù)合載體的制備將Ce(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O的水溶液混合均勻后,浸漬于粉末狀γ-Al2O3擔(dān)體上,經(jīng)干燥、焙燒先制成Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體;B催化劑的制備將Cr(NO3)3·9H2O的水溶液浸漬于步驟A的Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上,再經(jīng)干燥、焙燒,制得Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的制備方法,其特征是步驟A中,先將Ce(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·5H2O的水溶液混合均勻后,浸漬于粉末狀γ-Al2O3擔(dān)體上8~12小時(shí),于90℃~110℃下干燥6~8小時(shí),在500℃焙燒4~6小時(shí),制成Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)的復(fù)合載體;步驟B中,將Cr(NO3)3·9H2O溶于蒸餾水中,浸漬于步驟A得到的Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3復(fù)合載體上8~12小時(shí),于90℃~110℃下干燥8~10小時(shí),在400℃焙燒3~4小時(shí),在700℃焙燒5~6小時(shí)制得Cr/Ce(1-x)ZrxO2/Al2O3(x=0.1~0.9)的催化劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于二氧化碳氧化乙烷制乙烯的催化劑及制備方法。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有CO
文檔編號(hào)C07C5/333GK1718277SQ200410062708
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月7日
發(fā)明者季生福, 李成岳, 陳標(biāo)華, 劉輝 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)