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活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

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活性炭載鎳對(duì)生物質(zhì)熱解油的催化
文章作者:韓研網(wǎng)絡(luò)部 更新時(shí)間:2019-7-16 16:33:10

  生物質(zhì)從根本上來源于光合作用,由于其低價(jià)格,廣泛分布和環(huán)境友好性,預(yù)計(jì)將成為化石燃料的可再生替代品。生物質(zhì)的利用是通過快速熱解技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為液體燃料(稱為熱解油)。然而,熱解油具有許多缺點(diǎn),例如高氧化含量,有限的熱穩(wěn)定性,高腐蝕性和低熱值,這阻礙了熱解油在當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施中作為車輛燃料的直接利用。為了將熱解油轉(zhuǎn)化為液體載體燃料,進(jìn)行加氫脫氧作為一種好用的催化技術(shù),通過使用特定催化劑使其含氧分子與氫反應(yīng),可以除去熱解油中的氧,并獲得高級(jí)生物燃料。通過改進(jìn)的有機(jī)液體化學(xué)反應(yīng)方法制備的一鍋法,制備了具有不同的磷化鎳納米顆粒尺寸的活性炭催化劑。測(cè)試了活性炭催化劑對(duì)熱解油模型化合物(水楊醛)的加氫脫氧的影響。

  活性炭載磷化鎳的可控合成與表征

  活性炭中鎳的透射電子顯微照片(圖1的A-d),納米粒子為球形且均勻地分布,這表明金屬磷化物納米顆粒的相對(duì)尺寸和分散度的化學(xué)反應(yīng)過程中合成。在催化劑合成過程中,油胺起還原劑的作用,從而控制成核速率。同時(shí),三辛基膦用作磷源和穩(wěn)定劑,通過Ni(0)表面的配位提供可調(diào)的表面穩(wěn)定性。在合成中,對(duì)于少量三辛基膦,發(fā)生Ni(II)前體的快速還原,導(dǎo)致Ni(0)物質(zhì)的重要濃度,其不能被溶液中存在的配體有效穩(wěn)定。然后,快速聚集過程的結(jié)果形成大尺寸的磷化鎳納米顆粒在活性炭載鎳催化劑。然而,當(dāng)油胺的量減少時(shí),制備少量核,并且大量三辛基膦的存在抑制它們的生長,導(dǎo)致形成小的納米顆粒。此外,所選擇的區(qū)域的電子衍射和晶格條紋的圖像(在所示圖1 B,C)表明,球形磷化鎳納米粒是單晶。因此,它的尺寸大于Ni 2通過改變油胺和三辛基膦的濃度可以很容易地調(diào)節(jié)活性炭催化劑,這提供了一種精確控制其尺寸在4到10nm范圍內(nèi)的方法,在這些方法中,這些磷化鎳納米顆粒在活性炭上以各種尺寸負(fù)載將具有不同的屬性可能導(dǎo)致不同的反應(yīng)性。

  圖1:不同油胺和三辛基膦含量添加的活性炭催化劑TEM圖像。

  催化熱解生物油加氫脫氧測(cè)試

  溫度對(duì)活性炭催化性能的影響

  為了評(píng)價(jià)制備的磷化鎳活性炭的有用性,進(jìn)行對(duì)生物油模型化合物加氫脫氧的活性。在測(cè)試中,我們使用SA(水楊醛)作為熱解油的代表性組分來探索加氫脫氧途徑。在這項(xiàng)工作中,SA轉(zhuǎn)化為鄰甲酚可以通過路徑氫化/氫解或C=O鍵的直接氫解進(jìn)行。圖2顯示了加氫脫氧相對(duì)于鎳的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率活性炭受反應(yīng)溫度影響。結(jié)果表明,隨著反應(yīng)溫度的升高,SA的轉(zhuǎn)化率和鄰甲酚的收率逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)溫度為260℃時(shí),鄰甲酚目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率較大,2小時(shí)達(dá)到97.1%,這表明反應(yīng)溫度顯著提高了它的區(qū)域選擇性加氫脫氧的催化活性。

  圖2:反應(yīng)溫度對(duì)活性炭載磷化鎳在氫氣壓力下對(duì)SA的加氫脫氧催化性能的影響。

  磷化鎳尺寸對(duì)活性炭催化性能的影響

  為了研究磷化鎳尺寸對(duì)活性炭催化性能的影響,SA的加氫脫氧在220℃和2MPa氫氣壓力下進(jìn)行。在催化活性的顯著差異可以為鎳中觀察到活性炭變化的尺寸。隨著磷化鎳納米顆粒的減少,轉(zhuǎn)化率先增加然后減少。其中,活性炭在加氫脫氧反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的反應(yīng)性,在180分鐘內(nèi)SA的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%以上,對(duì)鄰甲酚的收率超過97%。較小的鎳微晶表現(xiàn)出更強(qiáng)的Ni-P相互作用和磷在表面上的額外暴露,這顯著影響中間體的吸附狀態(tài),其中磷化鎳與反應(yīng)物之間的相互作用既不太弱也不太強(qiáng)。因此,可以通過使用不同納米顆粒尺寸的磷化鎳來控制SA的加氫脫氧活性。

  碳水化合物衍生化合物對(duì)活性炭催化性能的影響

  盡管碳水化合物衍生的化合物在加氫脫氧過程中對(duì)芳族化合物有影響,但是之前的一些熱解油升級(jí)的研究集中在加氫脫氧反應(yīng)中碳水化合物衍生的化合物和木質(zhì)素衍生的芳族化合物之間的相互作用。在這次研究中,用活性炭催化從酚級(jí)分(SA)產(chǎn)生的碳水化合物衍生物的(MF)的加氫脫氧的熱解油的效果進(jìn)行了研究(在圖3所示)。MF的存在對(duì)SA的轉(zhuǎn)化和鄰甲酚的收率產(chǎn)生了很大的影響。在不存在MF的情況下,SA的轉(zhuǎn)化率為99%,持續(xù)180分鐘,相應(yīng)的鄰甲酚產(chǎn)率為97%。隨著反應(yīng)物中MF比例的增加,SA轉(zhuǎn)化率和鄰甲酚產(chǎn)率均顯著降低。當(dāng)(MF)/(SA)值為1.00(mol / mol)時(shí),SA的轉(zhuǎn)化率和鄰甲酚的收率分別從99%和97%急劇下降至70%和60%,這表明通過在反應(yīng)物中存在MF,抑制了SA的反應(yīng)性。

  圖3:碳水化合物衍生化合物對(duì)熱解油的加氫脫氧的影響。

  對(duì)于我們制備的不同磷化鎳納米粒子尺寸的活性炭催化劑,觀察到磷化鎳對(duì)其催化活性和熱解油的加氫脫氧穩(wěn)定性的強(qiáng)烈影響。在該測(cè)試中觀察到碳水化合物衍生物(MF)對(duì)木質(zhì)素衍生化合物(SA)的加氫脫氧的影響,闡明MF的存在抑制SA的加氫脫氧。加氫脫氧過程中反應(yīng)性和穩(wěn)定性的差異可歸因于活性炭內(nèi)磷化鎳納米顆粒尺寸的變化。開發(fā)尺寸可調(diào)的催化劑并了解加氫脫氧過程中的尺寸效應(yīng)對(duì)于熱解生物油改進(jìn)將是重要的。

文章標(biāo)簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質(zhì)活性炭,木質(zhì)活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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