以RuCl3/SiO2为模板制备高性能镶嵌式钌基氨合成催化剂

合成氨工业是国家能源与战略的基石, 是化学工业的支柱产业, 随着国家产业升级与转型, 对合成氨工业的能耗提出了较为严厉的要求. 钌基催化剂被誉为继铁催化剂后的第二代氨合成催化剂, 与铁催化剂相比, 钌基催化剂在低温和低压下具有优异的催化性能. 炭材料因具有低成本、高比表面积以及电子传输和热传输等独特性能, 比其它化合物如MgO, Al2O3和BN等更适合作为Ru催化剂的载体, 而且也是除铁催化剂外唯一已工业化的载体. 虽然炭负载钌催化剂的甲烷化是不可避免的, 但BP公司使用石墨化碳作为载体成功地解决了这个问题, 并实现了工业化. 为了进一步提高钌基催化剂性能,对钌炭催化剂的结构设计尤为重要.中孔炭(MC)孔隙结构发达, 可以为钌纳米粒子的分散提供空间, 从而有效提高金属钌的利用率, 中孔炭负载的钌基催化剂在合成氨反应中表现出优异的催化性能. 传统负载型钌基催化剂的制备一般采用浸渍法, 虽然可获得高分散的Ru纳米粒子, 但其只会分布在载体的表面, 因此在反应过程中就容易发生金属纳米粒子的团聚和流失, 大大降低使用寿命. 而随着新材料制备技术的发展, 对催化剂的设计合成方法的研究也越来越多. 当金属纳米粒子被镶嵌在载体的壁上时, 金属和载体之间就具有较强的相互作用, 因而可以稳定金属纳米粒子. 本文通过蔗糖原位炭化法将Ru纳米颗粒半嵌入在炭材料中制备镶嵌式Ru-MC催化剂, 并采用HRTEM, CO化学吸附等手段系统研究了镶嵌式Ru-MC催化剂与传统浸渍法制备的负载型Ru/MC催化剂之间的差异. 采用等体积浸渍法添加Ba和K助剂制备催化剂Ba-K/Ru-MC和Ba-Ru-K/MC. 和Ba-Ru-K/MC催化剂相比, Ba-K/Ru-MC催化剂上钌炭相互作用力增强,不但有效提高了钌催化剂的催化活性, 而且提高了该催化剂的抗甲烷化能力, 从而提高了氨合成条件下催化剂的稳定性和使用寿命. 采用该方法制备的钌基催化剂在400 °C, 10000 h–1, 10 MPa和H2/N2 = 3.0的反应条件下, 氨合成反应速率可以达到133 mmol/(g·h), 其性能远高于目前报导的钌基催化剂和传统的熔铁催化剂.