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,Al_2O_3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H_2/N_2=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.     

活性炭负载钌基氨合成催化剂炭甲烷化反应的抑制

本文利用等体积浸渍法制备了系列活性炭负载的钌基氨合成催化剂，考察了助剂Sm2O3、Ba、K对活性炭负载的钌基氨合成催化剂稳定性和催化活性的影响，探讨了其抑制炭的甲烷化反应和改善活性的调变规律。用TPD技术研究了氢在系列催化剂上的脱附行为，并对助剂对催化剂稳定性的调变作用和钌基氨合成催化剂高性能的原因作了探讨。结果表明，助剂Sm2O3、Ba、K对活性炭负载的钌基氨合成催化剂的稳定性和催化活性均有很好的效果，而且多助剂改善的催化剂稳定性和催化活性明显优于单助剂催化剂。     

贵金属钌基催化剂合成及应用研究进展

钌催化剂是近年来新兴的贵金属催化剂,其负载型催化剂具有节约成本、可回收利用、催化性能优异等优势,受到研究人员的广泛关注.本文对负载型钌基催化剂在氨合成反应、加氢反应、氧化反应的合成及应用进行了综述,主要阐述了反应过程中的载体与助剂、制备方法和催化性能,并对当前反应中存在的问题进行归纳和总结,最后提出负载型钌基催化剂现阶...     

镧促进Ru/Sep氨合成催化反应研究

以乙醇为溶剂,以海泡石(Sep)为载体,用浸渍法制备了镧为促进剂的新型钌基氨合成催化剂,并对催化反应工艺条件进行了考察。结果表明,镧是海泡石负载钌基催化剂的有效促进剂。当钌负载量为5%(质量分数),La/Ru摩尔比为1.5,在10MPa450℃20000h-1条件下,氨合成反应速率为38.5μmmol·g-1·h-1)。     

K对Ru/Sep负载型氨合成催化剂性能的影响

用水溶液浸渍法制备了海泡石负载钌基氨合成催化剂，研究了钾助剂对催化剂性能的影响。通过N2物理吸附、H2化学吸附、SEM、XRD和XPS等手段表征了钾对催化剂比表面积、孔容、金属分散度、载体热稳定性能和电子效应等的影响。实验结果表明，钾助剂对海泡石负载钌基氨合成催化剂性能有较大的影响，加入适量的钾可抑制催化剂比表面积和孔容的降低，提高其热稳定性能，钌金属分散度随着K／Ru摩尔比的增加而增大，XPS表征结果表明，有电子从助剂向钌转移，随着钾含量的提高，电子结合能逐渐减小，至K／Ru摩尔比为10时最小，对催化剂活性评价结果表明，催化活性与催化剂电子授予能力有很好的一致性关系。     

活性炭载体的超声波处理对钌/活性炭氨合成催化剂催化性能的影响

 利用超声波处理活性炭,并采用场发射扫描电镜、X射线能谱、N2物理吸附和CO化学吸附等表征手段,考察了超声波处理对活性炭表面形貌、化学组成、表面织构和催化剂钌分散度的影响. 以超声波处理的活性炭为载体,以钡和钾为助剂制备了一系列钌基氨合成催化剂,在10.0 MPa,10000 h-1和400 ℃的条件下进行了氨合成活性评价. 结果表明,超声波处理可有效除去活性炭表面的杂质,提高中孔比表面积占BET比表面积的比例. 超声波处理50 min的活性炭表面的杂质含量较低,中孔比表面积适中,以其为载体制备的钌基催化剂的活性较高,催化氨合成反应速率可达94.8 mmol/(g·h).     

F离子对钌基氨合成催化剂活性的影响

以MgO为载体,分别用KF,KNO3,BaF2和BaO为促进剂前驱体制备钌基氨合成催化剂,并用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和催化剂性能评价等方法考察了不同促进剂前驱体对钌基氨合成催化剂的影响．结果表明,电负性比氯大的氟的引入能提高催化剂的活性,在KF-Ru/MgO催化剂中,F与载体的O发生交换,改变了载体的结构和表面性质,从而导致金属载体相互作用情况的不同以及金属分散度的提高,因而有利于催化活性的提高．同时,当F以BaF2的形态存在时也能提高催化活性．     

超声法制备掺钡纳米氧化镁及其负载钌基氨合成催化剂的催化性能

采用超声技术制备掺钡纳米氧化镁,并以其为载体,以Ru3(CO)12 为前驱体,采用浸渍法制备了一系列钌基氨合成催化剂. 采用场发射扫描电镜、 X射线衍射和N2物理吸附等表征手段,考察了催化剂的表面形貌、物相和表面织构性质. 在400～450 ℃的条件下评价了催化剂对氨合成的催化活性. 结果表明,以超声技术制备的掺钡纳米氧化镁有较大的比表面积和较规则的孔道结构,并增强了钡、镁之间的相互作用,使钡更均匀地分散于载体中,极大地提高了钡的促进作用,从而使其负载的钌基催化剂的活性大幅度提高. 当超声作用为时间30 min时,在10 MPa, 425 ℃和空速 10 000 h-1 的条件下, 4%Ru/Ba-MgO催化剂上的氨合成反应速率达到61.02 mmol/(g·h).     

氧化铝载体和氧化钡助剂对钌基氨合成催化剂结构和性能的影响

采用不同来源γ-Al2O3(市售Al2O3-1,合成Al2O3-2)作为钌基氨合成催化剂载体,利用浸渍法制备了一系列添加不同BaO助剂含量的Ba-Ru/Al2O3催化剂.通过X射线衍射(XRD)、N2-低温物理吸附、X射线荧光光谱(XRF)、透射电镜(TEM)、H2程序升温还原(H2-TPR)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和X射线光电子能谱(XPS)等方法研究了不同来源的Al2O3以及BaO助剂含量对负载型钌基催化剂的物相结构、织构性质、微观形貌、表面性质和催化剂的氨合成活性等方面的影响.结果表明,载体的物理化学性质对制备的钌基氨合成催化剂的结构以及活性有较大影响.BaO助剂对催化剂的影响主要表现在两个方面:添加量不同导致BaO与γ-Al2O3的作用力不同,从而进一步影响催化体系的比表面积和孔结构性质;BaO助剂会对体系的Ru物种还原性质以及催化剂表面酸碱性质进行调节,适量BaO的加入能够极大提高反应活性,而这种最佳量与载体性质密切相关.     

i氨合成催化剂的研究进展*

高稳定性、高活性、低成本的氨合成催化剂的研究已成为新的研究热点。本文从载体的制备和改性方法、钌活性组分还原与负载、助剂的机理及其作用等方面简要地介绍了氧化物负载钌催化剂的最新研究进展,此外,结合密度泛函理论的计算和实验研究成果,介绍了合金型催化剂特别是熔铁型合金催化剂、氮化物金属合金体系及负载型多金属氨合成催化剂的研究现状,指出了氧化物负载钌催化剂及合金型催化剂研究存在的一些问题并展望了氨合成催化剂的发展前景。     

氯化钌氨作前驱体制备高活性的氨合成催化剂

以氯化钌和水合肼反应制备了新型的氧化钌氨前驱体Ru(NH3)5Cl3.透射电镜和CO化学吸附结果表明,由Ru(NH3)5Cl3前驱体制备的活性炭(AC)负载的RuN/AC催化剂中.钌纳米粒子分散度高,粒径分布均匀.与以氯化钌为前驱体制备的Ru/AC催化剂相比,RuN/AC催化剂具有更高的氨合成活性,在10 MPa和10 000 h-1条件下活性增幅超过10%.     

助剂对Ru/C催化剂的表面性质及氨合成催化性能的影响

以碱金属、碱土金属硝酸盐作为助剂前体，活性炭为载体制备了系列负载型钌催化剂，采用物理吸附、化学吸附和XRD等表征手段，考察了助剂对Ru/C催化剂的比表面、孔分布和钌分散度的影响，并在430 ℃、10.0 MPa和10 000 h－1条件下进行氨合成活性评价。结果表明，单助剂Ru/C催化剂，碱金属助剂的促进作用与其相应氢氧化物碱性变化规律一致，碱土金属助剂的促进作用与其相应氧化物碱性变化规律一致。在同类化合物中，铯和钡均是最有效的助剂，钡比铯具有更强的促进作用。以硝酸钡和硝酸铯制备双助剂Ru/C催化剂，先钡后铯分步浸渍制备钌催化剂的活性不仅明显高于钡、铯共浸渍钌催化剂，而且也高于先铯后钡分步浸渍钌催化剂。     

Effect of Activated Carbon as a Support on Metal Dispersion and Activity of Ruthenium Catalyst for Ammonia Synthesis

IntroductionSince the beginning of the 2 0 th century,ammonia has been produced over the fused ironcatalyst known as Haber- Bosch process.Thecatalyst most widely used is Fe,promoted withK2 O and Al2 O3and other un- reducible oxides.Thefused iron catalyst has many advantages,such aslow unit price and long lifetime,worldwide about1 40 million tons of ammonia is manufactured peryear in the presence of Fe catalyst.But its lowactivity below40 0℃ makes it necessary to carryout the process at a …     

Mg促进的Ru-Ba/AC高效氨合成催化剂

通过X射线衍射、CO化学吸附、X射线光电子能谱和氨合成活性测试等手段,研究了Mg助剂对Ru/AC催化剂组分分布和活性的影响.结果显示,适量Mg的添加有利于Ba和金属Ru粒子在活性炭表面的均匀分布,从而提高了催化剂活性.     

XPS Spectra of K-Ru/MWNTs Catalysts for Ammonia Synthesis

Alkali metal and alkali oxide-promoted ruthenium has been found to be one of the most active catalysts for ammonia synthesis under atmospheric pressure^[1]. Recently, We found^[2] that the K-Ru/MWNTs catalyst showed very high activity for ammonia synthesis. It is suggested that the high activity is due to the special electronic and structural properties of the carbon nanotubes. Alkali and alkali oxide doped MWNTs have been reported to be more favorable for electronic transfer and hydrogen storage^[3]. In the ammonia synthesis,these properties may play important roles. In this study, K-Ru/MWNTs and Ru/MWNTs were prepared and characterized by XPS. We found that alkali oxide can improve the Ru dispersion similar to the classic catalysts for ammonia synthesis.     

Cover Picture

The cover picture shows an arrangement of ruthenium atoms representing the active site of ruthenium catalysts for ammonia synthesis. This B(5)-type active site consists of three ruthenium atoms in one layer (blue spheres) and two ruthenium atoms in the layer directly above this (red spheres). This arrangement is energetically preferred, because none of the ruthenium atoms is in contact with both of the nitrogen atoms (green spheres) of the adsorbed N(2) molecule. Based on knowledge of this active site a number of catalysts were prepared by using [Ru(3)(CO)(12)] (upper green sphere) as a precursor. These catalysts were characterized (left red sphere and TEM micrograph in the background), tested using a parallel screening procedure (left and lower blue spheres), and kinetically analyzed (right blue sphere). The resulting barium-promoted Ru/MgO catalyst is the most active catalyst for ammonia synthesis to be described (right red sphere). It can be concluded that the B(5)-type site also dominates the activity of the promoted catalysts (lower green sphere). The enormous catalytic potential of Ba-Ru/MgO is described by Muhler et al. on pp. 1061 ff.     

沉淀剂种类对Ru/CeO2氨合成催化剂结构和性能的影响

采用6种沉淀剂通过共沉淀法制备了6种Ru/CeO2氨合成催化剂, 考察了沉淀剂种类对其氨合成性能的影响. 通过X射线衍射、N2吸附-脱附、X射线荧光光谱和H2程序升温还原等表征手段, 对不同沉淀剂影响Ru/CeO2催化剂氨合成性能的原因进行探讨. 结果表明: 采用(NH4)2CO3和NH4HCO3制备的催化剂样品具有较好的氨合成活性, 其中NH4HCO3为最佳沉淀剂, 所制备的催化剂在450 ℃, 10 MPa , 10000 h－1测试条件下, 出口氨浓度为14.46%. 而采用KHCO3, KOH, K2CO3沉淀剂制备的样品的氨合成活性相对较低. 沉淀剂种类不仅明显地影响钌离子和铈离子的共沉淀, 而且会影响载体二氧化铈表面氧的还原. 由NH4HCO3沉淀剂制备的Ru/CeO2催化剂的高活性归因于钌负载量增大、钌粒子分散度提高以及二氧化铈表面氧易还原三者相互作用的结果.     

助剂对Ru/CeO2催化剂的表面性质及氨合成性能的影响

以KF、KNO₃、Ba(NO₃)₂、CsNO₃为助剂前驱体,CeO₂为载体采用氧化还原共沉淀法制备了一系列无氯负载型钌催化剂,考察了助剂种类和助剂含量及单双助剂对Ru/CeO₂氨合成活性的影响,并采用N₂物理吸附、CO脉冲吸附、XRD、XRF等表征手段,考察了助剂对Ru/CeO₂催化剂比表面积、孔分布、钌分散度的影响。结果表明,F与碱金属、碱土金属一样可以促进Ru/CeO₂催化剂的氨合成活性,四种单助剂中以CsNO₃前驱体为助剂的促进效果最好,而对于双助剂Ba+Cs的促进效果最明显,在400℃,10 MPa,10 000 h^-1反应条件下,出口氨浓度达到了13.3%。加入助剂后使各Ru/CeO₂催化剂表面结构发生改变,但是催化剂的结构因素对氨合成活性的影响不明显,电子效应才是影响催化剂氨合成活性的主要因素。     

第二代氨合成催化体系——钌系氨合成催化剂及其工业应用*

本文综述了第二代氨合成催化体系——钌系氨合成催化剂的研制、开发及工业应用情况。介绍了钌系氨合成催化剂的载体、促进剂、钌活性前身物对氨合成催化活性的影响。比较了钌系氨合成催化剂与铁系氨合成催化剂的反应机理与性能特点。新型氨合成催化工艺流程的成功开发为钌系氨合成催化剂的工业应用提供了有力的保障。