[發明專利]一種多級鈷鐵氧化物納米陣列結構化催化劑及其制備方法

無效

• 申請號: 201210017295.4
• 申請日: 2012-01-19
• 公開（公告）號: CN102580744A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 劉軍楓;孫甲強;孫曉明;段雪
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;C07C47/54;C07C45/28
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于催化技術領域，具體涉及生長在鐵基底上的結構有序，優先暴露高活性晶面，尺寸分布均勻的多級鈷鐵氧化物納米陣列結構化催化劑及其制備方法。

背景技術

隨著資源匱乏、環境惡化的問題日益嚴峻，節能減排降耗的綠色化工過程成為化工領域科研工作者所追尋的目標。催化劑材料，作為化工反應過程中的核心部分，其開發和利用關系著能源、環境和資源等領域的發展和技術進步。多相催化劑作為一類固體催化劑，由于可通過較簡單的相分離方法與產物分開，在工業上大量使用。工業用多相催化劑目前多采用散堆顆粒催化劑，存在著高壓降，高磨耗等缺點。顆粒催化劑散堆于床層中，顆粒間隙形成的流動通道形狀不規則，流體流經固定床時壓力降較大，動能消耗高。顆粒催化劑尺寸較小，容易隨流體發生運動，若本身機械強度較差，則會因互相摩擦碰撞發生破碎粉化導致氣流孔道堵塞，壓降增加，加劇高壓降，高能耗現象。多相催化劑材料的結構化設計被認為是解決這一問題的有效途徑之一。結構化催化劑由于規整載體所具有的結構特征，使它形成的催化反應床層具有不同于常規顆粒型催化劑反應床層的流體流動、傳質和傳熱等特征。它提供了均勻、有規則、直通的孔道，并具有大空隙度。流體在其中流經的路徑很少彎彎曲曲，能在不同的流體動力學狀態下操作。結構化催化劑的規則結構有利于物料與催化劑的均勻充分接觸。同時，這也減少或避免了由于流動不均勻產生的過熱點。另外，結構化催化劑的放大可認為是簡明的，因為單獨孔道內的條件是不變的。與常規固定床反應器不同，結構化反應器中催化劑涂層的厚度可以很小，規整催化劑層中擴散距離短，有利于消除內擴散阻力對非均相反應的影響，催化劑利用率很高。但是現在結構化催化劑的制備過程通常包括載體的制備，涂層的制備以及活性組分的負載三個步驟，這樣由于結構的特殊性常常導致活性組分分布不均勻，與載體的粘結性不強，直接影響它的催化性能與使用。因此新型的結構化催化劑的設計與合成成為目前亟待解決的問題之一。近幾年，納米材料可控合成技術的發展和分析手段的進步，為高性能催化劑的開發帶來新的契機。納米陣列材料以其新穎的結構、獨特的光電特性和催化特性，在納米器件制作等領域的應用有著巨大的優勢和潛力受到人們的極大關注。另一方面，催化劑材料尺寸的微細化已經被證明是提高催化性能的有效途徑，通過增大表面與氣體、液體等反應原子的接觸機會，使活性得到提高。對于結構規整的納米陣列來說，可以通過減小一維納米材料的尺寸來增大催化劑整體材料的比表面積；此外，材料的形貌和晶面效應也引起了人們的廣泛關注。對于結晶良好且具有特定形狀的納米晶而言，其表面一般由確定的晶面構成。由于結構敏感型反應在同一物質的不同晶面上的活性往往存在差異，從而導致催化活性和選擇性發生變化。因此與催化劑晶面性質有關的表面結構和表面活性位點很大程度上決定了催化劑的催化性能。

尖晶石Co_3-xFe_xO₄由于其在氧化還原過程中并不改變尖晶石晶格構型，具有良好的結構穩定性和催化性能，因此對于大量的化學反應過程是一種有效的催化劑。比如它可用于：醇類和過氧化氫的分解、CO的氧化(Xie，X.；Li，Y.；Liu，Z.-Q.；Haruta，M.；Shen，W.Nature?2009，458，746-749.)、飽和烷烴的燃燒(Hu，L.；Peng，Q.；Li，Y.?J.Am.Chem.Soc.2008，130，16136-16137.)、烯烴的氧化(Guin，D.；Baruwati，B.；Manorama，S.V.，Journal?of?Molecular?Catalysia?A：Chemical?2005，242，26-31.)、環己烷的氧化(Tong，J.；Bo，L.；Li，Z.；Lei，Z.；Xia，C.，Journal?of?Molecular?Catalysis?A：Chemical?2009，307，58.)。

但是到目前為止，對于納米陣列應用于結構化催化劑的研究工作還較少，一定程度上限制了高性能催化劑的工業開發和應用。基于此我們提出以結構有序的具有大比例高活性晶面優先取向的納米陣列作為結構化催化劑的設想，由催化活性組分形成的納米陣列，由于可在基底上直接生長催化活性物質，形成的納米結構確定、有序，可實現高的比表面積，解決傳統整體催化劑活性組分分布不均勻，與載體的粘結性不強的問題。在這里我們以苯乙烯的催化氧化反應評價了多級Co_3-xFe_xO₄納米陣列結構化催化劑的性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種多級鈷鐵氧化物納米陣列結構化催化劑及其制備方法。