朱子俊,潘再富,楊冬霞,顧永萬 ,黃衛(wèi)強,王成雄,朱敬芳
改性Pd/USY分子篩的甲苯吸脫附性能研究
朱子俊1, 2,潘再富2,楊冬霞2,顧永萬2*,黃衛(wèi)強2,王成雄2,朱敬芳2
(1. 昆明貴金屬研究所,昆明 650106;2. 昆明貴研催化劑有限責任公司,昆明 650106)
制備了載鈀的超穩(wěn)Y型(USY)分子篩材料Pd/USY,并組合其它賤金屬進行改性,得到系列二元與多元改性Pd/USY;利用N2物理吸附儀、高分辨透射電子顯微鏡(TEM)、熱重分析(TG)儀、化學吸附儀和X射線衍射(XRD)儀等,表征分析了系列改性Pd/USY分子篩對甲苯的吸附與脫附性能。結(jié)果表明,改性后的Pd-Ce-Zr/USY分子篩吸附性能最好,甲苯飽和吸附量高達290.7 mg/g,甲苯高溫脫附溫度范圍為290~360℃,其最佳改性條件為鈀負載質(zhì)量分數(shù)為1%,pH值調(diào)節(jié)至8,煅燒溫度為450℃。
USY分子篩;金屬改性;Pd-Ce-Zr;吸附與脫附
在汽油車尾氣中,如何有效處理汽油車冷啟動階段苯系碳氫化合物(HCs)是亟待解決的重要難題之一[1]。甲苯在芳香烴類HCs化合物中占有最高的比例[2]。吸附法是低溫下處理HCs化合物最有效的方法,而吸附法的核心就是吸附劑的選擇[3]。超穩(wěn)Y型分子篩(簡稱USY分子篩)是一種良好的揮發(fā)性有機物(VOCs)吸附劑,基本組成單元是AlO4和SiO4四面體[4],二級單元是削角八面體(石籠)[5],其結(jié)構(gòu)單元中有一個直徑約為1.2 nm的空籠(超籠),與超籠相連的是4個直徑約為0.9 nm的孔道,每個孔道都是12元環(huán)[6],這種特殊的孔道結(jié)構(gòu)有利于甲苯的吸附和脫附[7]。近年來,USY分子篩因為硅鋁比高,水熱穩(wěn)定性好,耐熱溫度高達900℃[8],同時選擇性高、吸附能力強、不易積碳[9]等優(yōu)點得到科研人員們的重視,是汽車冷啟動階段HCs捕集催化技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力較好的材料之一。
Oliveira等[10]將Zn2+、Ni2+離子引入NaY型分子篩對其進行改性,對比研究了它們的HCs吸附性能,發(fā)現(xiàn)NaY、ZnY、NiY分子篩的HCs吸附容量依次增加。Tanada等[11]研究發(fā)現(xiàn),Mn2+、Ni2+、Cu2+離子引入β分子篩后,β分子篩的HCs吸附容量和脫附溫度依次降低。這說明了分子篩對HCs吸附容量和吸附強度與金屬陽離子的類型和價態(tài)有一定關(guān)系,而金屬離子在USY分子篩上進行的改性是否也有同種現(xiàn)象與規(guī)律還未見文獻報道。要得到高性能的HCs捕集催化材料,可以在USY分子篩中引入金屬陽離子以抑制分子篩骨架結(jié)構(gòu)過度脫鋁,提高表面羥基的水熱穩(wěn)定性[12],從而增強吸附能力和吸附強度,提高吸附選擇性。大量研究發(fā)現(xiàn),分子篩表面的極性和酸性質(zhì)與分子篩對HCs分子的吸附強度密切相關(guān),貴金屬鈀(Pd)具有很好的O2解離能力,通過Pd-賤金屬結(jié)構(gòu)調(diào)控可以提高HCs的吸附能力和吸附強度[13]。
目前市場上USY分子篩脫附溫度較低,達不到汽車三效催化器需要的較高脫附溫度。本文擬設(shè)計改性Pd/USY分子篩,以冷啟動時對總碳氫排放值貢獻最大的甲苯作為探針分子,通過金屬來修飾和調(diào)變USY分子篩表面酸性中心,為解決機動車冷啟動階段的HCs吸附存儲、高溫凈化提供支持。
超穩(wěn)Y型分子篩(USY)(南開催化劑廠),甲苯(分析純,≥99.5%,西隴科學),Pd(NO3)2溶液(昆明貴研催化劑有限責任公司)、Ce(NO3)3·6H2O (≥99.0%,西隴科學)、La(NO3)3(≥99.0%,國藥集團化學試劑有限公司)、Al(NO3)3·9H2O(≥99.0%,西隴科學)、KNO3(≥99.0%,西隴科學)、Fe(NO3)3·9H2O(分析純≥99.0%,南京南試化學試劑有限公司)、Ba(NO3)2(≥99.5%,阿拉丁試劑)、Zr(NO3)4·5H2O (≥99.5%,西亞試劑)。
1) Pd/USY分子篩的制備。將10 g USY分子篩粉末加入到100 mL Pd(NO3)2溶液中(Pd質(zhì)量為0.1 g),用氨水調(diào)節(jié)pH,室溫下攪拌4 h,抽濾并用去離子水重復洗滌3~4次后在干燥箱中120℃干燥4 h,最后在煅燒爐中450℃鍛燒6 h[14],得到Pd負載量(質(zhì)量分數(shù))為1%的Pd/USY分子篩材料。
2) 賤金屬改性USY分子篩的制備。將10 g USY分子篩粉末加入到100 mL濃度為0.1 mol/L的金屬鹽溶液中,用氨水調(diào)節(jié)pH,室溫下攪拌4 h,抽濾并用去離子水重復洗滌3~4次后在干燥箱中120℃干燥4 h,最后在煅燒爐中450℃鍛燒6 h,得到負載質(zhì)量摩爾濃度為1 mol/kg的Ce/USY、Zr/USY、La/USY、Al/USY、K/USY、Fe/USY和Ba/USY分子篩材料。
3) 金屬組合改性USY分子篩的制備。采用分步制備的方法,先按照Pd/USY的制備步驟負載貴金屬Pd,材料烘干后再按照賤金屬改性方式負載其它金屬,依次烘干煅燒,其它條件不變,制備出Pd-Ce/USY、Pd-Zr/USY、Pd-K/USY、Pd-Ce-Zr/USY、Pd-Ce-Zr-K/USY分子篩材料。
1) 比表面積及孔隙分析。采用美國康塔公司Autosorb-IQ2型比表面積及孔隙分析儀進行測試。以N2為吸附質(zhì),樣品預處理后在高純液氮溫度下進行吸附,用標準BET方程計算比表面積。
2) 氨氣程序升溫脫附(NH3-TPD)測試。在美國康塔公司CHEMBET3000型化學吸附儀上進行。將100 mg待測樣品裝入石英U型管中,在He氣氛下400℃預處理45 min,降溫至80℃,溫度穩(wěn)定后切換為氨氣,吸附飽和后再切換回He,以10℃/min的升溫速率升至820℃,使用TCD檢測信號強度[15]。
3) 形貌及表面分布分析。使用200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM,日本電子JEM-2100)表征。
4) 晶相結(jié)構(gòu)分析。在X射線衍射儀(XRD,日本理學Smart Lab)上表征,使用Cu-Ka射線(= 0.15406 nm),40 kV,80 mA,掃描步長為0.02°/s。
1) 吸附實驗。在吸附之前將粉狀USY分子篩在300℃空氣氣氛下焙燒預處理3 h,以除去其中的粘結(jié)劑與水分。吸附實驗在通有過量甲苯氣體的密閉容器中進行,分子篩樣品用量為1 g,用精密電子天平記錄樣品的質(zhì)量變化,當樣品質(zhì)量不再增加時認為甲苯已飽和吸附,此過程在室溫下進行。甲苯飽和吸附量計算公式為:
2) 脫附實驗。甲苯的脫附實驗在熱重分析儀(德國耐馳STA-449-F3型)上進行,STA具有精確的壓力、溫度控制系統(tǒng)和超靈敏的恒溫天平[16]。由于分子篩吸水性很強,為了避免分子篩對水的吸附,USY分子篩在密閉容器中吸附甲苯達到飽和后立即轉(zhuǎn)入熱重分析儀上進行處理。將飽和吸附甲苯的USY或改性USY材料(0.1 g)放入STA的坩堝內(nèi),調(diào)試好儀器,設(shè)置保護氣為N2,吹掃氣為He,室溫下吹掃2 h后進行程序升溫脫附,升溫速率為5 K/min,升溫至500℃,記錄吸附劑重量相對于溫度的變化曲線(即TG曲線)[17]。
2.1.1USY分子篩的TEM表征
圖1為USY分子篩樣品在不同放大倍數(shù)下的TEM圖像。從圖1(a)可以看到USY分子篩晶粒整體呈現(xiàn)不規(guī)則的八面體形狀,外觀規(guī)整,表面光滑且顆粒較小[18]。提高放大倍數(shù)(圖2(b))后看到其孔徑較寬,孔道較長,且無堵塞,有著規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)。甲苯的動力學直徑約0.58 nm,根據(jù)分子尺寸選擇機理,USY的這種優(yōu)良的孔道結(jié)構(gòu)有利于甲苯的吸附,且便于改性時金屬進入孔道內(nèi)占據(jù)活性位。
圖1 USY分子篩的TEM圖像
2.1.2USY和Pd/USY分子篩比表面積及孔徑分布
為了探索Pd改性后USY分子篩的孔結(jié)構(gòu)變化,對USY和Pd/USY分子篩進行了N2吸附-脫附測試。圖2為USY和Pd/USY分子篩的N2吸附等溫線和孔徑分布圖。
按照IUPAC分類法,USY的吸附等溫線圖(圖2(a))呈現(xiàn)的是IV型吸附等溫線[19]的特征。相對壓力較低時吸附量迅速上升,等溫線拐點表示的是單分子層飽和吸附量。隨著相對壓力繼續(xù)增加,多層吸附逐步形成,在p0為0.4~1.0范圍內(nèi)存在一個滯后環(huán)[20],對應(yīng)的是多孔吸附劑出現(xiàn)毛細凝聚的體系[21]。滯后環(huán)分布趨勢較緩慢,說明USY內(nèi)孔分布較寬。利用非定域密度函數(shù)理論(NLDFT)得到孔徑分布圖(圖2(b)),由圖2可以看出USY孔徑主要分布范圍為0.74~1.27 nm,表明USY具有豐富的微孔與介孔結(jié)構(gòu),這種特殊的孔道性質(zhì)十分有利于甲苯分子的吸附和脫附[22]。
為了解決USY分子篩的甲苯脫附溫度較低這一難題,在USY分子篩中加入了貴金屬Pd來改善其吸附性能。從圖2(a)可以看到Pd/USY與USY的吸附等溫線呈現(xiàn)的特征相似,表明Pd改性后未明顯改變USY分子篩的基本結(jié)構(gòu),但是Pd/USY比USY的等溫線要低。這是由于Pd占據(jù)了USY分子篩部分孔道,使Pd/USY的孔容減小,從而影響了等溫線的高低,導致了孔徑分布的差異。從圖2(b)中可以發(fā)現(xiàn)Pd/USY比USY的孔徑分布范圍略寬,表明Pd改性會改變USY的孔徑結(jié)構(gòu),這是由于Pd取代了USY中部分陽離子,經(jīng)過高溫煅燒會使其孔徑略微增大。甲苯分子的動力學直徑大約為0.58 nm,基于分子篩孔容與所吸附的分子尺寸應(yīng)該相適應(yīng)的理論[23],USY可以對甲苯有很好的吸附性能。表1為Pd改性前后USY樣品的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。
圖2 USY和Pd/USY分子篩的吸附等溫線(a)及孔徑分布(b)
表1 分子篩樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)
Tab.1 The structure parameters of molecular sieve
從表1中可以看出,改性后Pd/USY的比表面積和孔容均有所減小。這是由于改性后Pd會附著于USY表面和進入孔道內(nèi)部與其中部分陽離子交換占據(jù)活性位點[24],而Pd2+的離子半徑比Al3+大,故而比表面積和孔容會減小。
2.1.3NH3-TPD測試結(jié)果分析
由于USY分子篩具有大的比表面積和吸附容量,表面存在酸-堿中心[25],分子篩的吸附強度會受酸量和酸強度的影響。NH3-TPD圖中可以看到酸量和酸強度的分布,200℃以下的低溫脫附峰可歸為較弱L酸性位弱吸附NH3,200~400℃的中高溫脫附峰可歸為中強酸的B酸性位吸附NH4+,大于400℃的脫附峰則是強吸附在L酸性位的配位NH3引起的[26-27]。圖3為USY和Pd/USY分子篩的NH3-TPD信號圖。從圖3可以看到2條信號曲線在300℃和500℃附近均出現(xiàn)了中強峰和強高溫峰,分別對應(yīng)中強酸和強酸2種類型的酸性中心和酸性位點,表明USY分子篩具有顯著的酸性特征[28]。在加入Pd之后,可以看到500℃左右的高溫脫附峰強度有明顯增加,表明Pd/USY的強酸性中心增加,進一步說明Pd的引入可以增強USY分子篩的強酸性位。
圖3 USY與Pd/USY的NH3-TPD信號圖
2.2.1負載量的影響
金屬的負載量會對改性材料的吸附性能產(chǎn)生影響,圖4為USY分子篩在改性過程中,負載不同含量Pd后USY分子篩(Pd/USY)的甲苯脫附曲線和脫附溫度與甲苯飽和吸附量圖。
(a). 脫附曲線(Desorption curve); (b). 脫附溫度與飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
圖4(b)中折線圖表示的是分子篩最高和最低脫附溫度,柱狀圖表示的是分子篩甲苯飽和吸附量。從圖4可以看出,Pd改性后USY甲苯吸附量有明顯的增大,脫附溫度隨著Pd負載量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這是由于在USY中引入Pd的金屬陽離子后可以抑制USY的骨架結(jié)構(gòu)過度脫鋁,增加USY的強酸性位點數(shù)量和強度,提高甲苯吸附能力和吸附強度。但Pd負載量太小時,由于分子篩中Pd含量太低,Pd起不到主導作用;當Pd負載量太高時,又會堵塞USY孔道。當Pd負載量為0.5%時,USY的甲苯吸附量最大但脫附溫度不高,負載量為1%時脫附溫度最高。兩者對甲苯吸附量差別不大,但脫附溫度差別較大,所以確定Pd改性的最佳負載量為1%。
2.2.2pH值的影響
USY分子篩在Pd改性制備時不同pH值對Pd/USY的甲苯吸脫附性能影響如圖5所示。
(a). 甲苯脫附曲線(Toluene desorption curve); (b). 脫附溫度與飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
從圖5可知,隨著制備pH的增加,吸附量和脫附溫度在pH=8時都出現(xiàn)了最大值。這是由于改性過程中,Pd(NO3)2水溶液呈酸性會促進USY分子篩的骨架脫鋁以及非骨架鋁的移除,使得分子篩的硅鋁比降低[29],而若pH過大也會對分子篩酸量產(chǎn)生影響,所以確定Pd改性USY時溶液pH調(diào)節(jié)為8。
2.2.3焙燒溫度的影響
圖6為USY分子篩在Pd改性制備過程中焙燒溫度對Pd/USY樣品的甲苯吸附與脫附性能影響。
(a). 甲苯脫附曲線(Toluene desorption curve); (b). 脫附溫度甲苯飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
圖6 焙燒溫度對Pd/USY改性性能的影響
Fig.6 Effect of calcination temperature on modification performance of Pd/USY
從圖6可知,隨著焙燒溫度升高,吸附量和脫附溫度都呈現(xiàn)出先增加再減小的趨勢;焙燒溫度為450℃時,甲苯的飽和吸附量最大,且脫附溫度都最高。這是由于在Pd改性USY分子篩的過程中,不同焙燒溫度會影響Pd離子在分子篩中的存在形式,溫度過低時Pd不能完全作用,溫度過高時分子篩孔道會出現(xiàn)一定程度的坍塌,而且焙燒時Pd離子在逐漸遷移和聚集過程中也會引起部分的骨架脫鋁,使分子篩硅鋁比降低[30],從而影響酸性位點和酸量,且呈現(xiàn)出圖6中規(guī)律。根據(jù)圖6結(jié)果確定Pd/ USY材料最佳的焙燒溫度為450℃。
2.3.1不同金屬改性的影響
除貴金屬Pd外,其他金屬改性USY也可能對其吸附性能產(chǎn)生影響。用2.2得出的最佳改性條件,金屬負載量為1%,pH=8,焙燒溫度為450℃,用幾種改性性能優(yōu)異的金屬對USY進行改性,測定所得催化劑對甲苯的吸脫附性能,結(jié)果如圖7所示。
(a). 甲苯脫附曲線(Toluene desorption curve); (b). 脫附溫度甲苯飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
由圖7(a)可以看出,與改性前的USY分子篩相比,大多改性后的USY也會出現(xiàn)2個脫附峰(高溫脫附峰在脫附曲線上不明顯),但也可以反應(yīng)出其對甲苯分子存在2種吸附位點,強的吸附位點對應(yīng)溫度高的脫附峰,弱的吸附位點對應(yīng)溫度低的脫附峰。其中Pd、Zr、K、Ce對USY吸附性能促進作用[31]相對較大,可見不同的金屬種類及金屬含量對USY分子篩的酸性帶來的影響差異較大,Ce和K對弱酸的影響較大,而Pd和Zr對強酸的影響較大[32],故Ce/USY和K/USY的甲苯吸附量最大、Zr/USY和Pd/USY的脫附溫度最高(圖7(b))。
2.3.2雙金屬離子改性的影響
采用前述改性條件,采用分步負載的方法對USY分子篩進行雙金屬改性,所得USY分子篩材料的甲苯吸脫附性能如圖8所示。
(a). 甲苯脫附曲線(Toluene desorption curve); (b). 脫附溫度甲苯飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
由圖8可以看出,以Ce、Zr、K輔助金屬離子分別對USY進行改性后,再負載上貴金屬Pd,輔助金屬與Pd在分子篩中的相互作用,使得USY分子篩材料的活性有較大的提高。由圖8(a)可以看出貴金屬Pd和賤金屬作用時對USY的甲苯脫附性能的提升效果明顯,其中Pd/Ce和Pd/Zr的改性效果最好,最高脫附溫度從200℃提高到300℃。這是因為Ce、Zr與Pd共同作用后,不僅具有優(yōu)良的儲氧能力,還能有效提高活性組分的分散度[33],增加USY的活性。而Ce/Zr作用時脫附溫度下降較嚴重,可見貴金屬Pd起了決定性作用。因此,Pd與輔助金屬的協(xié)同改性對提高USY分子篩的甲苯脫附性能有較好的改善作用。
2.3.3多金屬元素改性的影響
采用前述改性條件,選用Pd、Ce、Zr和K作為改性元素,采用分步負載的方法對USY分子篩進行多金屬改性,所得USY分子篩材料的甲苯吸脫附性能如圖9所示。
(a). 甲苯脫附曲線(Toluene desorption curve); (b). 脫附溫度甲苯飽和吸附量(Desorption temperature and saturation adsorption)
由圖9可知,Pd和Ce、Zr同時作用時USY的甲苯脫附性能最好,Ce、Zr與Pd的共同作用提高了USY的活性,使得甲苯的最高脫附溫度從200℃最高可提高到360℃。Ce、Zr的引入增強了Pd/USY材料的強酸性活性中心,但在3種元素基礎(chǔ)上再加K以后,脫附溫度有所下降,這可能是由于K元素的加入影響了分子篩酸強度分布,使得弱酸量增多,強酸位點下降,所以脫附溫度有所降低。經(jīng)測定,改性后的Pd-Ce-Zr/USY分子篩對甲苯的飽和吸附量高達290.7 mg/g,甲苯的高溫脫附溫度范圍可達到290~360℃。可見,控制好金屬元素的用量并合理組合,會有效提高USY的甲苯吸附能力。本文制備出的改性分子篩與目前文獻[34]中報道的吸附量為220~250 mg/g,脫附溫度約300~330℃相比有了較大程度的提高,表明本論文中所提出的改性方法對提高USY甲苯吸附性能具有一定的理論指導意義。
圖10為Pd、Ce和Zr離子共同改性前后的USY分子篩的X射線衍射圖譜。
由圖10可見,改性后Pd-Ce-Zr/USY的特征峰位置基本沒有變化,都有USY的特征衍射峰(111)、(220)、(311)、(331)和(533)。相對于USY分子篩,Pd-Ce-Zr/USY的主要特征衍射峰向高角度方向稍有偏移,表明在改性過程中USY分子篩出現(xiàn)了很小程度的晶胞收縮[35],但改性后未曾改變USY型分子篩的基本結(jié)構(gòu)。圖10中未出現(xiàn)相應(yīng)改性金屬的特征衍射峰,說明金屬氧化物在分子篩中呈高分散狀態(tài),均勻分散在USY分子篩上。但是,經(jīng)過改性后,一些特征峰的相對強度發(fā)生了變化,Pd-Ce-Zr/USY的特征峰相對強度有所減小,說明這些離子的添加雖然保持了USY的晶體結(jié)構(gòu),但是改變了USY分子篩的微觀結(jié)構(gòu)[36],從而對其吸脫附性能產(chǎn)生了影響。
圖10 改性前后的USY型沸石分子篩的X-射線衍射圖譜
1) USY分子篩具有顯著的酸性特征,有中強酸和強酸2種類型酸性中心和酸性位,金屬改性會改變USY分子篩的表面酸性及孔道結(jié)構(gòu),有效提高USY的甲苯吸附容量及脫附溫度。
2) Pd/USY的Pd負載量、焙燒溫度和pH值均會影響Pd/USY的甲苯吸附性能,得到的最佳改性條件為:Pd負載量為1%,pH值為8,煅燒溫度為450℃。
3) 不同金屬離子的添加改變了USY分子篩的微觀結(jié)構(gòu),金屬氧化物在分子篩中呈高分散狀態(tài)。單元金屬或多元金屬離子修飾Pd/USY分子篩能大幅提升其吸附甲苯的性能,其中Ce-Zr共同作用的Pd-Ce-Zr/USY分子篩效果最好,對甲苯的飽和吸附量高達290.7 mg/g,甲苯的高溫脫附溫度范圍可達到290~360℃。
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Study on Absorption and Desorption of Toluene on Modified Pd/USY Molecular Sieves
ZHU Zi-jun1, 2, PAN Zai-fu2, YANG Dong-xia2, GU Yong-wan2 *,HUANG Wei-qiang2, WANG Cheng-xiong2, ZHU Jing-fang2
(1. Kunming Institute of Precious Metals, Kunming 650106, China;2. Kunming Sino-Platinum Metals Catalyst Co. Ltd., Kunming 650106, China)
The palladium-loaded ultrastable Y molecular sieve, Pd/USY and binary and multi-component modified Pd/USY by introducing other base metals were prepared. The adsorption and desorption of toluene on the modified Pd/USY molecular sieves was characterized by N2physical adsorption, high resolution transmission electron microscopy (TEM), thermo gravimetric analysis (TG), chemical adsorption and X-ray diffraction (XRD). The results showed that the modified molecular sieve Pd-Ce-Zr/USY had the highest adsorption capacity, and that its saturated adsorption capacity of toluene was up to 290.7 mg/g. The high temperature desorption temperature range of toluene was 290 to 360℃. The optimum modification conditions are: 1% of palladium loading, a pH of 8, and 450℃ ofcalcination temperature.
ultra-stable Y (USY) zeolites; metals modification; Pd-Ce-Zr; adsorption and desorption
O647.33
A
1004-0676(2020)01-0010-10
2019-03-13
云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃青年項目(2018FD140)
朱子俊,女,碩士研究生,研究方向:工業(yè)催化。E-mail: 1156816753@qq.com
顧永萬,男,博士,高級工程師,研究方向:催化新材料。E-mail: guyongwan@163.com