[01805664]一种蒙脱石基金属镍纳米片催化剂及其制备方法和应用

①课题来源与背景 以分子筛纳米片为代表的二维结构催化材料因大幅缩短反应物-产物的传质扩散路径,在众多尤其是涉及大分子催化反应中表现出优异的催化性能。因此,新型二维结构催化材料的制备和应用研究受到人们的广泛关注。二维催化材料总体上有两条构建方式：一条是“底部向上”（“Bottom-up”）的合成路线,从ZSM-5分子筛的初级结构单元出发,借助特定双功能表面活性剂导向作用直接合成的ZSM-5纳米片是最为典型的代表（Nature, 2009, 461:246-249.）。该路线存在成本较高、制备步骤复杂尤其是特定双功能表面活性剂需实验室自制等不足,难以实现批量生产,在实际应用中受到一定的限制。第二条是“顶部向下”（“Top-down”）的构建路线,即后处理法,对具有层状结构的前体如层状分子筛、层状双金属氢氧化物（LDHs）等进行层板剥离等处理形成超薄分子筛（Chem. Rev., 2014, 114 （9）：4807-4837.）或LDHs纳米片（催化学报,2013, 34（1）:225-234.）二维催化材料。后处理法具有成本低、操作简单并可实现大规模生产等优点,但层状分子筛的剥离程度往往难以控制（J. Am. Chem. Soc., 2011, 133: 3288-3291. Chem. Mater., 2011, 23: 5404-5408.）,而剥离的LDHs纳米片通常以胶体溶液的形式存在（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50: 9171-9176.）,限制了其应用范围。 ②技术原理及性能指标 蒙脱石（MMT）是层状结构粘土矿物,其晶体结构是在2层硅氧四面体中间夹着1层铝氧八面体,组成2:1的层状硅酸盐结晶结构,四面体与八面体依靠共同氧原子连接,形成厚约1nm,长宽约为100 nm,高度有序的准三维晶片,是纳米颗粒的天然加工厂, 当蒙脱石含量很低时其层状结构甚至可被完全剥离为单晶纳米片分散于水中,是制备新型二维催化材料较为理想的前体。本技术通过超声辅助分散得到完全剥离为单层蒙脱石纳米片的水溶液,用化学液相沉积-沉淀法在分散于水溶液中的单层蒙脱石纳米片表面引入分布均一的镍物种,经高温还原制得蒙脱石基金属镍纳米片催化剂,该催化剂为新型高效芳烃加氢催化剂,用于萘加氢反应时,转化率高达100%,且十氢萘选择性也高达85.4%;用于四氢萘加氢反应时,其TON高达251.1。 ③ 技术的创造性与先进性 本技术提供了一种蒙脱石基金属镍纳米片催化剂及其制备方法和应用,属于化工技术领域。本技术以价廉易得的天然粘土蒙脱石为基体制得具有二维结构负载型金属镍催化剂;催化剂制备方法操作过程简单,很适合于工业化生产;不使用贵金属就可以制备出具有活性高且具有一定抗硫中毒性能的芳烃加氢催化剂,技术水平国内领先。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性 本技术在实验室开展了催化剂制备及芳烃加氢活性评价小试实验,小试过程催化剂制备重复性好,芳烃加氢性能优异且稳定,技术较为成熟,该技术适用于新型二维加氢催化剂的制备,所制得的催化剂尤其适用于芳烃加氢饱和以降低煤焦油、煤液化油品、轻质循环油以及生物质所制油品芳烃含量,技术安全性较高。 ⑤应用情况及存在的问题 本技术提供的催化剂制备方法简单、成本低廉,很适合于工业化生产。由于加氢催化剂工业化生产,特别是加氢催化剂工业化应用于芳烃加氢反应涉及到特定的生产工艺和设备,需要与已有技术工艺进行对比和评估,针对具体的工业化应用,还需进行相应中试放大实验,以确定最优的生产工艺参数。