高溫?zé)岱€(wěn)定性Au/β-Mo2C催化劑的制備及在逆水煤氣變換反應(yīng)中的應(yīng)用

劉孟杰, 丁 巍,*, 戴詠川, 趙玉柱, 趙 越,3, 郝元川

(1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部, 遼寧 撫順 113001;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司撫順石化分公司石油三廠, 遼寧 撫順 113004; 3.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司, 黑龍江 大慶 163002)

近年來(lái),化學(xué)燃料燃燒過(guò)程中排放大量的二氧化碳,引發(fā)了嚴(yán)重的全球氣候變化,威脅著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。如何將人類生活和工業(yè)產(chǎn)生的多余CO2回收,將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)制品或燃料[4-6],其中,一條重要的途徑是可以將CO2轉(zhuǎn)化成CO,再通過(guò)F-T合成進(jìn)一步生成甲醇、低碳烯烴等一系列高附加值的化學(xué)品。這是綠色環(huán)保、資源綜合利用、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性途徑。

RWGS反應(yīng)可有效地實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化,傳統(tǒng)的銅/鋅催化劑的穩(wěn)定性較差[7]。Duke等[8,9]提出將Pt擔(dān)載在TiO2載體上,通過(guò)增加載體的缺陷中心和增強(qiáng)Pt與載體間的相互作用來(lái)穩(wěn)定Pt納米粒子,使反應(yīng)活性提升,但Pt系催化劑在反應(yīng)中會(huì)有少量的CH4生成使CO的選擇性降低。而用貴金屬Pt/CeO2催化劑雖實(shí)現(xiàn)了在界面處發(fā)生CO2加氫反應(yīng),但大量的氧空穴導(dǎo)致催化劑失活嚴(yán)重[10]。最近,Zhu等[11]發(fā)現(xiàn)Au/CeO2催化劑在此反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫活性和CO的高選擇性,但隨著反應(yīng)溫度的升高,活性反而急劇下降。由于CeO2等氧化物載體與活性金屬Au之間的作用力較弱,在高溫反應(yīng)下,不足以穩(wěn)定Au納米粒子,使其發(fā)生聚集和生長(zhǎng),從而使催化劑失活。

碳化鉬作為一類過(guò)渡金屬碳化物,具有類貴金屬的特性。近幾年，研究者將Mo2C作為載體合成一系列M/Mo2C(M=Cu、Ni、Pd、Pt、Ag和Au)負(fù)載型催化劑,廣泛應(yīng)用于小分子轉(zhuǎn)化[12-14]、加氫反應(yīng)[15-18]、電化學(xué)氧化還原[19]等催化反應(yīng)中,表現(xiàn)出比其他貴金屬催化劑更優(yōu)異的催化活性、穩(wěn)定性和耐久性。研究表明,由于Mo2C與金屬之間具有強(qiáng)相互作用(SMSI)。這種特性使載體與金屬之間存在協(xié)同效應(yīng),使活性金屬分散更均勻,從而明顯提高催化劑性能。其中,SMSI可以有效避免Au物種在高溫下發(fā)生晶粒長(zhǎng)大,使催化劑具有較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性?？梢?jiàn),碳化鉬是一類非常有應(yīng)用前景的新型催化材料。

目前,碳化鉬的制備方法有程序升溫反應(yīng)法[20]、化學(xué)氣相沉積法[21]、液相燃燒法[22]、超聲波合成法[23]、碳熱還原法[24]和高溫固相合成法[25]等。其中,程序升溫碳化法是合成高比表面積碳化鉬的有效方法。本實(shí)驗(yàn)采用有機(jī)碳源預(yù)先與鉬鹽均勻沉淀形成前體,然后碳化鉬在程序升溫過(guò)程中緩慢生成,即可制備出高純度的β-Mo2C,再采用原位沉淀法合成Au/β-Mo2C催化劑用于逆水氣變換反應(yīng),有望實(shí)現(xiàn)合成一類對(duì)CO2加氫反應(yīng)具有高活性、高溫?zé)岱€(wěn)定性,且CO高選擇性的Au催化劑,實(shí)現(xiàn)CO2的高效轉(zhuǎn)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

烏洛托品C6H12N4(分析純);七鉬酸銨(NH4)6Mo7O24(分析純);四氯金酸HAuCl4(分析純);氨水(15%);去離子水。

分析電子天平(FA1104 上海良平儀器儀表有限公司);控溫加熱套(KDM 城華魯電熱儀器有限公司);恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101D 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);電熱鼓風(fēng)干燥箱(101A-1 龍口市電爐總廠);箱式電阻爐(馬弗爐)(SRJX-3-9 沈陽(yáng)市電爐廠);pH計(jì)(PHSJ-3F 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。X-ray diffraction(XRD日本理學(xué)公司D-2500型);Scanning electron microscope(SEM JSM-7001F型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡);BET比表面積測(cè)試法(BET測(cè)試法 ASAP2420型自動(dòng)物理吸附儀);Scanning transmission electron microscope(STEM日立SU-8010掃描透射電子顯微鏡)。

1.2 催化劑的制備

1.2.1β-Mo2C的制備

稱取一定量的七鉬酸銨(AMT)和烏洛托品(HMT),按質(zhì)量比為1∶8的藥品混合后放入反應(yīng)器中,再加入一定量的15%的氨水和去離子水,攪拌均勻至透明溶液,將反應(yīng)器放入油浴中攪拌加熱,攪拌速率為20 rad/s,反應(yīng)溫度為50 ℃,保持4 h,產(chǎn)物逐漸析出。然后升溫到80 ℃,恒溫加熱3.0-4.0 h時(shí)直到蒸干,將產(chǎn)物取出烘干,即得到碳化鉬前體。

將干燥后的前體放入管式爐中,采用程序升溫法進(jìn)行高溫碳化,全過(guò)程需在Ar保護(hù)下進(jìn)行,以15 ℃/min的升溫速率,使樣品從室溫升至800 ℃,保持2 h。然后停止加熱,自然冷卻至室溫后,在流量為300 mL/min的1% O2/Ar的氣氛下,鈍化處理2-4 h,即可得到高純度的碳化鉬β-Mo2C。

1.2.2 Au/β-Mo2C催化劑的制備

取不同體積的1% HAuCl4溶液,加入20 mL去離子水,再加入一定量的β-Mo2C,逐漸滴入0.25 mol/L氨水,調(diào)節(jié)溶液的pH值為9。保持在80 ℃,回流6-8 h,用去離子水多次清洗,抽濾后的樣品在50 ℃下干燥過(guò)夜,合成不同負(fù)載量分別為0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和5.0%的Au/β-Mo2C催化劑。

1.3 RWGS反應(yīng)的催化性能

實(shí)驗(yàn)選取200 mg Au/β-Mo2C催化劑(dp=20-40目),將其裝入U(xiǎn)型石英反應(yīng)器(di=10 mm)中。反應(yīng)前,催化劑在H2氣氛下,以60 mL/min(STP)的流量,250 ℃下預(yù)處理1 h。然后通過(guò)六通閥切換成原料氣(CO2/H2/N2=45∶45∶10,體積比)進(jìn)行高溫?zé)岱磻?yīng)實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在特定的溫度條件下進(jìn)行,進(jìn)料流量為60 mL/min。反應(yīng)溫度由位于催化劑床中心位置的K型熱電偶烘箱控制。反應(yīng)產(chǎn)物中的水蒸氣經(jīng)冰浴除去,其他氣相產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜進(jìn)行分析。以CO2的轉(zhuǎn)化率和CO的選擇性來(lái)評(píng)價(jià)系列催化劑的性能。其中,CO2的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率、CO的選擇性的計(jì)算見(jiàn)公式(1)-(3),反應(yīng)裝置流程示意圖見(jiàn)圖1。

Conversion(CO2)=

(1)

Selectivity(CO)=

(2)

Productivity(CO)=conversion(CO2)×selectivity(CO)

(3)

圖1 CO2加氫反應(yīng)流程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD表征

本實(shí)驗(yàn)采用程序升溫碳化的方法制備了β-Mo2C,再用原位沉淀法負(fù)載活性金屬Au,合成Au/Mo2C負(fù)載型催化劑。圖2為碳化溫度為800℃時(shí)β-Mo2C和不同Au負(fù)載量的Au/Mo2C催化劑的XRD譜圖。

圖2 Au/Mo2C與β-Mo2C的XRD譜圖

圖2中的a、b、c譜線分別為β-Mo2C、0.1%Au/Mo2C、0.5%Au/Mo2C的XRD譜圖，圖2中的譜線d為Mo原子標(biāo)準(zhǔn)譜圖，圖2中的譜線e為β-Mo2C標(biāo)準(zhǔn)譜圖。2θ分別為34.44°、38.02°、39.44°、52.12°、61.53°、69.62°和74.65°時(shí),圖2中出現(xiàn)了β-Mo2C的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(200)晶面的特征衍射峰。其中，0.5%的Au/Mo2C催化劑的β-Mo2C結(jié)晶度最好。這說(shuō)明,由于Mo2C具有類貴金屬的電子特性使其與Au納米粒子之間發(fā)生了強(qiáng)電荷極化作用[26]。當(dāng)Au的含量較低時(shí),Au的負(fù)載不會(huì)改變?chǔ)?Mo2C晶相,但相對(duì)較高負(fù)載量的Au會(huì)增加β-Mo2C的結(jié)晶度。圖2中負(fù)載Au后的Au/Mo2C催化劑與純相的β-Mo2C相比,沒(méi)有出現(xiàn)Au的特征衍射峰。這是由于Au的負(fù)載量較低,分散性好,說(shuō)明碳化鉬對(duì)Au具有良好的錨定作用,抑制了金納米粒子的生長(zhǎng)。同時(shí),圖2中發(fā)現(xiàn)了Mo的特征衍射峰,將不同負(fù)載量的催化劑Au/Mo2C相比較,均有此特征峰,說(shuō)明碳化溫度達(dá)到800 ℃時(shí),會(huì)有部分單質(zhì)鉬的生成。

實(shí)驗(yàn)又研究了Au負(fù)載量為0.1%的Au/Mo2C在不同溫度、不同氣氛下晶體結(jié)構(gòu)的變化,并進(jìn)行XRD的表征,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同碳化溫度下0.1%Au/Mo2C催化劑的XRD譜圖

圖3中的譜線a為在空氣中450 ℃時(shí)0.1%Au/Mo2C的XRD譜圖,圖3中的譜線b為在Ar氣氛保護(hù)下600 ℃時(shí)0.1% Au/Mo2C的XRD譜圖,圖3中的譜線c是Mo原子的標(biāo)準(zhǔn)圖譜,圖3中的譜線d是MoO3的標(biāo)準(zhǔn)譜圖。由圖3可見(jiàn),在12.82°、23.43°、25.65°、27.24°、34.56°和39.78°處出現(xiàn)MoO3的特征衍射峰,說(shuō)明在450 ℃空氣的氣氛下,Au/Mo2C催化劑中部分Mo2C已被氧化生成MoO3;而在Ar氣氛保護(hù)下,反應(yīng)溫度在600 ℃時(shí),仍未發(fā)生Au納米粒子長(zhǎng)大的現(xiàn)象,催化劑仍以純的β-Mo2C形態(tài)存在,因此,在Ar等惰性氣氛中Au/Mo2C催化劑體現(xiàn)了良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。

2.2 STEM表征

實(shí)驗(yàn)對(duì)Au的負(fù)載量分別為0.5%、1.0%、2.0%和5.0%的Au/β-Mo2C催化劑進(jìn)行了STEM的檢測(cè),更深度地了解催化劑活性金屬的微觀形貌和粒徑分布,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同Au負(fù)載的Au/β-Mo2C催化劑的STEM照片 Figure 4 STEM images of used Au/β-Mo2C catalysts with different Au loadings(a): 0.5%;(b): 1.0%;(c): 2.0%;(d): 5.0%

由圖4可知,金納米粒子以明亮的圓形或橢圓形斑點(diǎn)的形式展現(xiàn),被錨定在β-Mo2C的載體中。當(dāng)Au/β-Mo2C催化劑中Au的負(fù)載量為0.5%、1.0%和2.0%時(shí),Au納米粒子以2 nm左右的原子簇形式存在,并且均勻分散。當(dāng)Au的負(fù)載量增加為5.0%時(shí),Au納米粒子的直徑增大,只有部分以原子簇形式存在。通過(guò)20張STEM照片計(jì)算分析,在四種不同負(fù)載量的Au/β-Mo2C催化劑中,Au納米粒子的粒徑在1-3 nm的比例分別為98%、95%、90%和65%,其粒徑主要分布分別為1.42±0.61、1.83±0.64、2.18±0.65和2.79±0.88 nm。說(shuō)明當(dāng)Au負(fù)載量較低時(shí),Au在β-Mo2C上的分散性較好,這一結(jié)果與XRD表征結(jié)果一致。隨著Au負(fù)載量增加到5.0%時(shí),錨定在β-Mo2C上的Au納米粒子發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象,此時(shí),可能會(huì)有部分Au納米粒子發(fā)生聚集[27],這種現(xiàn)象在Pt催化劑中也同樣存在[28]。

2.3 BET表征

實(shí)驗(yàn)對(duì)新制備的載體Mo2C、在450 ℃空氣中碳化的Mo2C以及Au負(fù)載量為2.0% 分別經(jīng)550和600 ℃反應(yīng)后的Au/Mo2C催化劑進(jìn)行了BET分析,其N2吸附-脫附等溫曲線見(jiàn)圖5。

圖5 不同溫度下Mo2C和Au/Mo2C催化劑的N2吸附-脫附等溫曲線

由圖5可知,四種樣品的N2吸附-脫附等溫曲線均呈現(xiàn)Ⅳ型的滯后環(huán)。其中,圖5(a)中新制備的載體Mo2C在相對(duì)壓力p/p0<0.4時(shí),曲線較為平緩,p/p0>0.4時(shí)曲線陡然上升,滯后環(huán)在p/p0=0.9處停止,其吸附量較大,說(shuō)明材料中含有大量的介孔結(jié)構(gòu)。而經(jīng)空氣中碳化后的Mo2C在p/p0=0.7時(shí)才出現(xiàn)滯后環(huán),曲線上升不明顯,吸附量也較低,說(shuō)明孔容明顯減小,這是由于材料中介孔結(jié)構(gòu)坍塌,完全轉(zhuǎn)化成較大的堆積孔結(jié)構(gòu)造成的,可能大量碳化鉬的晶型結(jié)構(gòu)已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了氧化鉬。

而圖5(b)中,負(fù)載量為2.0%的Au/Mo2C催化劑經(jīng)550和600 ℃反應(yīng)后的兩種樣品分別在相對(duì)壓力p/p0為0.7和0.6時(shí)出現(xiàn)良好的滯后環(huán)結(jié)構(gòu),說(shuō)明負(fù)載Au之后并沒(méi)有改變載體Mo2C的介孔結(jié)構(gòu),而且Au納米粒子均勻分散在載體的內(nèi)外表面,使催化劑擁有大量的微孔結(jié)構(gòu),使其吸附量有明顯的增加,并且在高溫下,沒(méi)有Au長(zhǎng)大的現(xiàn)象,說(shuō)明此催化劑具有較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。這種良好的孔結(jié)構(gòu)保證了催化劑的高活性和較高的CO選擇性。

2.4 RWGS反應(yīng)催化性能評(píng)價(jià)

Au/Mo2C負(fù)載型催化劑可以有效地促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,在逆水氣變換反應(yīng)中,催化劑的CO2轉(zhuǎn)化率、CO的選擇性以及高熱穩(wěn)定性是衡量催化劑催化性能的重要指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)選取β-Mo2C以及負(fù)載量分別為0.2%和2.0%的Au/β-Mo2C催化劑在微型加氫反應(yīng)器上進(jìn)行RWGS反應(yīng)評(píng)價(jià)三個(gè)催化劑。反應(yīng)前,催化劑需在250 ℃,H2氣氛下,預(yù)處理1 h,然后切換原料氣,逐漸升溫至500 ℃進(jìn)行加氫評(píng)價(jià),每25 ℃取一個(gè)樣進(jìn)行氣相色譜分析。按公式(1)和公式(2)計(jì)算CO2轉(zhuǎn)化率和CO的選擇性,CO2轉(zhuǎn)化率和CO選擇性隨溫度的變化見(jiàn)圖6。

由圖6可知,隨著反應(yīng)溫度的逐漸升高,其CO2的轉(zhuǎn)化率均呈直線上升的趨勢(shì);而CO的選擇性均隨溫度的升高而有所下降。其中，CO的選擇性中各曲線趨勢(shì)各有特點(diǎn),可以看出，β-Mo2C催化劑在溫度高于350 ℃時(shí),曲線下降較快,而負(fù)載型Au/Mo2C在400 ℃以后才發(fā)生下降,0.2%Au/Mo2C催化劑下降的不明顯,反應(yīng)溫度為500 ℃時(shí),CO的選擇性仍保持在98%左右。表明，此類催化劑具有高效性,在低負(fù)載量時(shí),催化性能最好,具有較高活性和高溫?zé)岱€(wěn)定性。這歸功于低負(fù)載量的催化劑中Au分散度更好,β-Mo2C對(duì)Au納米粒子的錨定作用更強(qiáng),使其在反應(yīng)中更有效地抑制Au納米粒子的長(zhǎng)大,提供更多的有效活性中心,使催化劑具有更優(yōu)異的CO2轉(zhuǎn)化率和CO選擇性。而Au負(fù)載量為2.0%時(shí),雖然看似負(fù)載的活性金屬更多,應(yīng)具有更多的活性中心,但實(shí)際的反應(yīng)結(jié)果表明,反應(yīng)溫度升高到400 ℃后,高負(fù)載量的催化劑的反應(yīng)活性下降較嚴(yán)重,這是由于部分Au納米粒子擺脫了β-Mo2C對(duì)它的半包覆作用,發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象,使催化效果有所下降。

這一結(jié)果從不同負(fù)載量0.2%和2.0%的Au/Mo2C催化劑反應(yīng)前后的孔性質(zhì)分析結(jié)果可以得到證實(shí)。通過(guò)BET方法表征得到的結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 CO2轉(zhuǎn)化率及CO選擇性隨溫度的變化

表1 不同負(fù)載量催化劑Au/Mo2C反應(yīng)前后的孔性質(zhì)

由表1可知,Au負(fù)載量≤2.0%時(shí),負(fù)載后Au/Mo2C催化劑的比表面積、孔容和平均孔徑均比Mo2C載體的有所增大,這是由于大量的Au以納米簇的形式均勻地分散并包覆在Mo2C的表面上,在β-Mo2C的作用下沒(méi)有發(fā)生聚集,并且形成大量二次介孔孔道。負(fù)載量為2.0%的Au/Mo2C催化劑其比表面積為40.80 m2/g,比負(fù)載量為0.2%的高,說(shuō)明,此催化劑在Mo2C的表面分散了更多的Au納米粒子。而它的孔容和平均孔徑均分別為0.090 m3/g和8.80 nm比0.2%的催化劑大,說(shuō)明形成的Au納米粒子較大,因此,所形成的二次介孔更大一些。

另外,反應(yīng)后催化劑的比表面積比反應(yīng)前有所下降,其中,負(fù)載量為2.0%的催化劑比表面積下降的更多一些,說(shuō)明催化劑中部分Au納米粒子在高溫反應(yīng)后有一定程度地長(zhǎng)大。這使得催化劑的平均孔徑也有所增加,造成催化效果有所下降。而負(fù)載量為0.2%的催化劑的比表面積稍下降5.17 m2/g,孔容為0.088 m3/g,平均孔徑為10.33 nm,對(duì)催化性能的影響不大。這一結(jié)論與評(píng)價(jià)結(jié)果相一致,說(shuō)明此類催化劑經(jīng)過(guò)高溫反應(yīng)后,仍具有良好的孔結(jié)構(gòu)。圖7為反應(yīng)后0.2%Au/Mo2C催化劑的STEM照片及Mo和Au元素的掃描圖。

圖7 反應(yīng)后0.2%Au/Mo2C催化劑的STEM照片及Mo和Au元素的掃描圖

由圖7可以看出,在選定的區(qū)域內(nèi),Au納米粒子仍分散較好,未出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,因此，較低Au負(fù)載量的催化劑對(duì)CO2加氫反應(yīng)具有非常高的活性和良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。從催化劑成本來(lái)看,選擇負(fù)載量為0.2%的Au/Mo2C催化劑作為穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的最佳催化劑。

實(shí)驗(yàn)平行制備三個(gè)0.2%Au/Mo2C催化劑,編號(hào)分別為樣品1、樣品2和樣品3,在上面的反應(yīng)條件下,反應(yīng)溫度為500 ℃,反應(yīng)時(shí)間為7 h,考察催化劑的穩(wěn)定性,結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 CO2轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化

由圖8可知,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),CO2轉(zhuǎn)化率有輕微的上下浮動(dòng),但都維持在37.0%-38.0%,因此,證明了在達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的情況下,此催化劑具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。

3 結(jié) 論

XRD分析表明,通過(guò)程序升溫碳化法可合成出純相的β-Mo2C載體,同時(shí),在碳化溫度達(dá)800 ℃時(shí),會(huì)有部分單質(zhì)鉬的生成,可提高反應(yīng)的催化活性。當(dāng)Au的負(fù)載量相對(duì)較低時(shí),Au物種的分散性好,說(shuō)明碳化鉬對(duì)Au具有良好的錨定作用,抑制了金納米粒子的生長(zhǎng);當(dāng)Au的負(fù)載量相對(duì)較高時(shí),Au可增加β-Mo2C的結(jié)晶度。

STEM表征再次證明,當(dāng)Au負(fù)載量相對(duì)較低時(shí),由于Au與β-Mo2C載體之間有較強(qiáng)的SMSI效應(yīng),β-Mo2C對(duì)Au有很好的錨定作用,抑制了其晶體的生長(zhǎng),使金納米粒子以2 nm左右的原子簇形式被半包裹并均勻地分散在載體的表面上。經(jīng)高溫反應(yīng)后仍保持良好的分散度和孔結(jié)構(gòu),因此,在RWGS反應(yīng)中,表現(xiàn)出良好的CO2的加氫活性、CO的選擇性和高溫?zé)岱€(wěn)定性。

由于低負(fù)載量Au/β-Mo2C催化劑的高活性和高溫?zé)岱€(wěn)定性主要來(lái)源于β-Mo2C對(duì)Au的錨定作用和本身的高活性,因此,提出碳化鉬等過(guò)渡金屬碳化物作為類貴金屬化合物,有望成為一類非常有應(yīng)用前景的新型催化材料。