淺談助劑對(duì)催化劑活性的影響

黃朝蔚

摘 要：本文作者嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解助劑Cr2O3、CeO2和ZrO2對(duì)Cu/SiO2催化劑活性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，助劑Cr、Ce、Zr的加入，使得催化劑中的CuO與其他氧化物之間的相互作用減弱，增大了催化劑的活性比表面，提高了催化劑的催化性能。

關(guān)鍵詞：Cu/SiO2 催化劑 助劑

催化劑是一種能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，而它本身又不參與最終產(chǎn)物的物質(zhì)。催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中占有重要地位，幾乎有半數(shù)以上的化工產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中都用催化劑。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解掌握助劑對(duì)催化劑活性的影響。

一、工業(yè)催化劑的物理組成

多相固體催化劑是目前石油及化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的催化劑。常見(jiàn)的固體催化劑主要由主催化劑、助催化劑和載體三大部分組成。

1.主催化劑

主催化劑又稱活性組分，是多組分催化劑中的主體。沒(méi)有主催化劑，就不能發(fā)生催化反應(yīng)。

2.助催化劑

助催化劑是催化劑的輔助成分，量較少；助劑本身無(wú)活性或活性很小，但加入之后可以改變催化劑的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，從而能提高催化劑的活性、選擇性、抗毒性、穩(wěn)定性或壽命等。

3.載體

載體是活性組分的分散劑、黏合物或支撐體，是負(fù)載活性組分的骨架。它可以起到增大接觸面積，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、提高耐熱性的作用。它與助催化劑的不同在于在催化劑中它的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于助催化劑。

二、通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解助劑對(duì)催化劑性能的影響

1.催化劑的制備

采用混合法制備。將Cu、Cr、Ce、Zr的硝酸鹽及碳酸鈉按適當(dāng)比例配成一定濃度的溶液，用分液漏斗在劇烈攪拌、恒溫70℃和一定pH值條件下，將NaCO3溶液和上述硝酸鹽混合溶液緩慢加入裝有少量水和SiO2的燒杯中。待沉淀完全后，繼續(xù)攪拌陳化2h，用蒸餾水多次洗滌抽濾至中性。濾餅在110℃干燥過(guò)夜，隨后于400℃在空氣中焙燒3h。焙燒完畢后，將催化劑粉碎至粒徑40～60目（0.45～0.3mm）待用。

2.催化劑活性評(píng)價(jià)

催化劑活性評(píng)價(jià)是在常壓固定床流動(dòng)體系中進(jìn)行，催化劑用量500～1000mg，粒徑40～60目。在進(jìn)行活性評(píng)價(jià)時(shí)，首先向裝填催化劑的反應(yīng)管中通入10%的H2/N2混合氣，在250℃下還原活化3h，然后關(guān)閉H2/N2混合氣，調(diào)節(jié)氣化室溫度為150℃，反應(yīng)室溫度為200～300℃，輸入甲醇進(jìn)行反應(yīng)，待反應(yīng)穩(wěn)定（約2小時(shí)）后取樣分析。

3.助劑對(duì)催化劑活性的影響

下表為各種催化劑上甲醇裂解制氫的反應(yīng)結(jié)果。可以看到，Cu/SiO2催化劑對(duì)甲醇裂解反應(yīng)的活性較低，甲醇轉(zhuǎn)化率和得氫率只有53.2%和36.5%。當(dāng)單獨(dú)加入單種助劑Cr、Zr、Ce時(shí)，催化劑的整體反應(yīng)性能都有了很大的改善。其中Cu/Cr/SiO2催化劑的活性提高最為顯著，甲醇轉(zhuǎn)化率和得氫率分別可達(dá)74.6%和61.1%，這是由于Cu和Cr相互作用形成了Cu/Cr物種，使Cu分散得更好、更穩(wěn)定，催化劑表現(xiàn)出較高的活性。由下表還可以看出，當(dāng)兩種助劑Ce和Cr共同加入時(shí)對(duì)催化劑的活性的影響效果比單種助劑的影響效果更好，Cu/Cr/Ce/SiO2催化劑的甲醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到了80.6%。

注：反應(yīng)條件為常壓，溫度250℃，（其中XMeOH表示甲醇轉(zhuǎn)化率，YH2表示得氫率，SH2表示氫氣選擇性）。

單種助劑Cr、Zr、Ce的分別加入，對(duì)銅系催化劑的整體反應(yīng)性能都起到了很大的提高作用。特別是當(dāng)兩種助劑Ce和Cr共同加入時(shí)對(duì)催化劑活性的影響效果更為顯著，即CuCrCeSi催化劑在甲醇裂解反應(yīng)中的反應(yīng)活性比CuCrSi催化劑的高。

（作者單位：海南省技師學(xué)院）