黃國強(qiáng),徐海升,李善建,郜鵬程
(西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)
隨著化石能源儲(chǔ)量的逐漸減少以及生態(tài)環(huán)境問題的日益凸顯,尋找和開發(fā)新型環(huán)保能源已成為亟待解決的問題[1-2]。生物質(zhì)經(jīng)熱解或液化得到的生物質(zhì)油被認(rèn)為是潛在的化石燃料替代品,但生物質(zhì)油的氧含量較高,導(dǎo)致生物質(zhì)油黏度高、熱值低、化學(xué)穩(wěn)定性差,這嚴(yán)重影響了其廣泛應(yīng)用[3-5]。加氫脫氧(HDO)或選擇性加氫被認(rèn)為是提高生物質(zhì)油性能及獲取高附加值產(chǎn)品的有效方法[6-7]。苯酚常作為生物質(zhì)油模型化合物用于加氫反應(yīng)探究[8]。
苯酚選擇性加氫制備環(huán)己酮并及時(shí)分離,可實(shí)現(xiàn)間接脫氧的同時(shí)獲取高附加值產(chǎn)品,具有較高的研究價(jià)值。苯酚選擇性加氫制備環(huán)己酮的反應(yīng)歷程為苯酚首先加氫生成環(huán)己烯醇,環(huán)己烯醇經(jīng)過烯醇式異構(gòu)化得到環(huán)己酮,但環(huán)己酮不穩(wěn)定會(huì)繼續(xù)加氫生成環(huán)己醇[9]。因此,提高苯酚轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)提高環(huán)己酮選擇性是該研究的主要目的。研究發(fā)現(xiàn),苯酚在催化劑表面的吸附方式對催化產(chǎn)物選擇性有顯著影響[9-10]。在酸性位點(diǎn),苯環(huán)和載體之間以共平面方式吸附,二者吸附作用較強(qiáng),不利于環(huán)己酮脫附,所以更容易過度加氫生成環(huán)己醇;在堿性位點(diǎn),苯環(huán)和載體之間以非共平面方式吸附,有利于環(huán)己酮脫附[11]。因此,筆者通過水熱法合成了氮摻雜還原氧化石墨烯(N-rGO)載體,然后采用浸漬法制備了不同鎳負(fù)載量的Ni/N-rGO催化劑,將其用于苯酚選擇性加氫制備環(huán)己酮反應(yīng)??疾炝舜呋瘎┲苽浼凹託浞磻?yīng)條件對催化劑活性和環(huán)己酮選擇性的影響,并通過正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳反應(yīng)條件。
鱗片石墨,安徽安特生物化學(xué)有限公司產(chǎn)品;硝酸鈉、過氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)、氫氧化鈉、苯酚、環(huán)己酮,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;2,4-二硝基苯肼,上海科豐實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品;濃硫酸,四川西隴科學(xué)有限公司產(chǎn)品;濃鹽酸,西安雁塔化學(xué)試劑廠產(chǎn)品;高錳酸鉀,天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司產(chǎn)品;Ni(NO3)2·6H2O,天津市華東試劑廠產(chǎn)品;尿素,天津永晟精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品;無水乙醇,天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品。以上試劑均為分析純。
DZF-6050AB型真空干燥箱,上海坤天實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn);SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水真空泵,上海邦西儀器科技有限公司生產(chǎn);L-500型離心機(jī),上海利鑫堅(jiān)離心機(jī)有限公司生產(chǎn);KQ 5200B型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn);FA 1004型分析電子天平,上海精科天平儀器廠生產(chǎn);DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,上海棱標(biāo)儀器有限公司生產(chǎn);GW 300型變頻高溫滾子加熱爐,青島同春石油儀器有限公司生產(chǎn);UV-2600型紫外可見分光光度計(jì),日本島津公司生產(chǎn);100 mL間歇式高溫高壓反應(yīng)釜,西安太康科技有限公司生產(chǎn);ASAP 2020型N2吸附-脫附測定儀,美國麥克公司生產(chǎn);D8 ADVANCE型X射線衍射儀,德國Bruker公司生產(chǎn);Quanta 600 FEG型掃描電鏡,美國FEI公司生產(chǎn)。
通過一步水熱法制備得到N-rGO載體。稱取一定量采用改進(jìn)Hummers法合成的氧化石墨烯(GO)加入去離子水[12-13],超聲處理2 h,得到高度分散的1 mg/mL氧化石墨烯分散液,以尿素為氮源和還原劑,按照GO與尿素質(zhì)量比為1∶30緩慢將尿素加入GO分散液中,室溫繼續(xù)超聲攪拌0.5 h后倒入500 mL水熱反應(yīng)釜,在變頻高溫滾子加熱爐中于180 ℃水熱反應(yīng)12 h,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)釜中的懸浮液離心,抽濾離心管下層固體,并用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌至中性,然后在真空干燥箱中充分干燥,得到N-rGO[14]。
采用浸漬法制備Ni/N-rGO催化劑。稱取一定量的N-rGO作為載體,按比例加入0.1 mol/L的Ni(NO3)2水溶液,常溫下磁力攪拌2 h,浸漬12 h后于70 ℃水浴中恒溫?cái)嚢枵舾山n液中的水分,將樣品放置在烘箱中充分干燥;然后在氮?dú)獗Wo(hù)下于管式爐中400 ℃焙燒4 h,最后在氫氣氣氛中以5 ℃/min 的升溫速率升至450 ℃還原2 h,得到鎳基Ni/N-rGO催化劑。將鎳負(fù)載量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為10%、20%、30%的催化劑分別記為10%Ni/N-rGO、20%Ni/N-rGO、30%Ni/N-rGO。
采用美國Micromeritics公司生產(chǎn)的ASAP 2020型N2吸附-脫附儀測定Ni/N-rGO催化劑的比表面積(BET法)、平均孔徑和孔體積(BJH法);采用德國Bruker公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE型X射線衍射儀測定催化劑晶相結(jié)構(gòu),Cu靶輻射,管電壓為40 kV,管電流為30 mA,掃描速率為5 °/min,掃描范圍為10°~80°;采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta 600 FEG型掃描電鏡表征催化劑表面形貌和粒度分布情況。
將制備的Ni/N-rGO催化劑和苯酚溶液裝填到100 mL間歇式高溫高壓反應(yīng)釜中,在給定實(shí)驗(yàn)條件下通入氫氣進(jìn)行苯酚催化加氫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,準(zhǔn)確稱量反應(yīng)結(jié)束后收集液的質(zhì)量和體積,通過UV-2600型紫外可見分光光度計(jì)測定收集液中苯酚和環(huán)己酮的吸光度,然后根據(jù)苯酚和環(huán)己酮的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到產(chǎn)物中苯酚和環(huán)己酮的質(zhì)量[8],進(jìn)一步由式(1)、式(2)計(jì)算苯酚轉(zhuǎn)化率(x,%)和環(huán)己酮選擇性(s,%)。
(1)
(2)
式(1)和式(2)中:mp表示反應(yīng)的苯酚質(zhì)量,g;mp0表示苯酚初始的質(zhì)量,g;mc表示生成環(huán)己酮的質(zhì)量,g。
2.1.1 N2吸附-脫附表征
表1列出了N-rGO載體及不同鎳負(fù)載量催化劑樣品的比表面積及孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
表1 載體及各催化劑樣品的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)Table 1 Physical structural properties of each catalyst
由表1可知:N-rGO載體的比表面積、平均孔徑、孔體積較GO明顯增加,這可能是摻氮后GO片層間的大量含氧基團(tuán)被去除,石墨片層間產(chǎn)生了空隙,因此N-rGO物性參數(shù)急劇增大;負(fù)載金屬鎳后,催化劑的比表面積和孔體積都有所下降但平均孔徑有所提高,隨著鎳負(fù)載量增加這一現(xiàn)象更加明顯。這可能是負(fù)載金屬后,金屬顆粒占據(jù)了載體的表面,導(dǎo)致催化劑比表面積下降;催化劑平均孔徑增大可能是由于其表面的小孔優(yōu)先被金屬顆粒堵塞造成的。
2.1.2 XRD表征
圖1為不同鎳負(fù)載量催化劑樣品的XRD譜圖。
N-rGO—N-doped reduced graphene oxide圖1 不同鎳負(fù)載量催化劑樣品的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of catalysts with different nickel loadings
由圖1可知:2θ在25.6°對應(yīng)N-rGO的(002)晶面衍射峰,N-rGO的(002)晶面衍射峰寬而彌散,是非晶態(tài)碳材料的特征;2θ在44.5°、51.7°和76.3°對應(yīng)Ni的(111)、(200)、(220)晶面衍射峰。隨著鎳負(fù)載量的增加,鎳的晶面衍射峰越來越尖銳且強(qiáng)度越強(qiáng),但N-rGO的(002)晶面衍射峰不斷變小,可能是負(fù)載量較少時(shí),金屬鎳分散均勻且金屬尺寸較??;當(dāng)鎳負(fù)載量為30%時(shí),可能是金屬鎳發(fā)生團(tuán)聚金屬顆粒變大覆蓋了載體表面,導(dǎo)致N-rGO的(002)晶面衍射峰變小。
2.1.3 SEM表征
圖2為載體N-rGO和20%Ni/N-rGO催化劑樣品的SEM照片。由圖2可知:N-rGO載體呈大片層狀結(jié)構(gòu),表面有較多透明、無序薄紗狀褶皺,說明氮摻雜引入了較多的缺陷位;負(fù)載金屬鎳后N-rGO載體表面變的粗糙,有較多顆粒狀物質(zhì),說明金屬鎳負(fù)載成功且金屬鎳顆粒較小,分散相對均勻,局部有明顯的大顆粒出現(xiàn),為鎳的團(tuán)聚現(xiàn)象。
圖2 載體N-rGO和20%Ni/N-rGO催化劑樣品的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of carrier N-doped reduced graphene oxide (N-rGO)and 20%Ni/N-rGO catalysts(a)N-rGO;(b)Ni/N-rGO
2.2.1 鎳負(fù)載量對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)壓力為0.4 MPa、反應(yīng)時(shí)間為2.0 h、Ni/N-rGO催化劑/苯酚質(zhì)量比(簡稱劑/酚質(zhì)量比)為0.35的條件下,考察鎳負(fù)載量對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖3所示。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖3 鎳負(fù)載量對Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.3 Effect of nickel loading on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by Ni/N-rGO catalystReaction conditions:T=150 ℃;p=0.4 MPa;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
由圖3可見,隨著鎳負(fù)載量的增加,苯酚轉(zhuǎn)化率、環(huán)己酮選擇性均先增大后減小。當(dāng)鎳負(fù)載量為20%時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率達(dá)到92.23%,環(huán)己酮選擇性最高為60.70%。這是因?yàn)楫?dāng)鎳負(fù)載量較低時(shí),催化劑表面活性中心較少,加氫反應(yīng)不完全,致使苯酚轉(zhuǎn)化率及環(huán)己酮選擇性都較低;當(dāng)鎳負(fù)載量較高時(shí),金屬鎳容易在催化劑表面團(tuán)聚,堵塞催化劑孔道結(jié)構(gòu),致使催化活性和產(chǎn)物選擇性降低。
2.2.2 尿素/GO質(zhì)量比對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)壓力為0.4 MPa、反應(yīng)時(shí)間為2.0 h、劑/酚質(zhì)量比為0.35的條件下,考察尿素/GO質(zhì)量比對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖4所示。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone;GO—Graphite oxide圖4 尿素/GO質(zhì)量比對20%Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.4 Effect of urea to GO mass ratio on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by 20%Ni/N-rGO catalystReaction conditions:T=150 ℃;p=0.4 MPa;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
由圖4可見,隨著尿素添加量的增加,苯酚轉(zhuǎn)化率逐漸提高,環(huán)己酮選擇性呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)尿素/GO質(zhì)量比為30時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率為90.54%,環(huán)己酮選擇性最高為62.19%。分析其原因可能是隨著尿素含量增加,較多的氮原子摻雜到石墨烯中使得催化劑活性位增多;氮原子富電子特性能給活性金屬Ni提供電子進(jìn)而活化更多的氫,使得催化劑活性提高[15];且研究表明[16],適當(dāng)?shù)牡獡诫s可形成OH—N或OH—π相互作用,致使苯酚以非共平面方式吸附在載體上,有利于環(huán)己酮從石墨烯表面快速脫附進(jìn)而提高環(huán)己酮選擇性。隨著尿素添加量過高,金屬Ni和載體之間相互作用進(jìn)一步加強(qiáng),部分未脫附的環(huán)己酮會(huì)繼續(xù)加氫生成副產(chǎn)物,導(dǎo)致環(huán)己酮選擇性下降。
2.2.3 H2還原溫度對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)壓力為0.4 MPa、反應(yīng)時(shí)間為2.0 h、劑/酚質(zhì)量比為0.35的條件下,考察H2還原溫度對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖5所示。
由圖5可見,隨著氫氣還原溫度的上升,苯酚轉(zhuǎn)化率先快速升高后趨于下降,環(huán)己酮選擇性呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)還原溫度為450 ℃時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率達(dá)到91.37%,環(huán)己酮選擇性最高為61.03%。這是因?yàn)楫?dāng)還原溫度較低時(shí),只有少部分的NiO被還原,催化劑活性較低;隨著還原溫度升高,較多的NiO開始被還原,因此催化劑活性和環(huán)己酮選擇性都快速提升[17];當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí),可能是還原溫度過高導(dǎo)致部分還原態(tài)金屬Ni發(fā)生了團(tuán)聚,進(jìn)而導(dǎo)致苯酚轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮選擇性都有所下降。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖5 氫氣還原溫度對20%Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.5 Effect of hydrogen reduction temperature on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by 20%Ni/N-rGO catalystReaction conditions:T=150 ℃;p=0.4 MPa;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
2.2.4 反應(yīng)溫度對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)壓力為0.4 MPa、反應(yīng)時(shí)間為2.0 h、劑/酚質(zhì)量比為0.35的條件下,考察反應(yīng)溫度對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖6所示。
由圖6可見,隨著反應(yīng)溫度的升高,苯酚轉(zhuǎn)化率持續(xù)提升,而環(huán)己酮選擇性先升高后下降。當(dāng)反應(yīng)溫度為150 ℃時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率為91.93%,環(huán)己酮選擇性最高為61.75%。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),升高溫度會(huì)提高苯酚加氫反應(yīng)速率,有利于苯酚轉(zhuǎn)化。在150 ℃之后環(huán)己酮選擇性開始減小,是由于苯酚加氫制備環(huán)己酮(ΔG=-145 kJ/mol)受熱力學(xué)影響較大[18],較高溫度并不利于環(huán)己酮生成。
2.2.5 反應(yīng)壓力對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)時(shí)間為2.0 h、劑/酚質(zhì)量比為0.35的條件下,考察反應(yīng)壓力對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖7所示。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖6 反應(yīng)溫度對20%Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by 20%Ni/N-rGO catalystReaction conditions:p=0.4 MPa;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖7 反應(yīng)壓力對20%Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.7 Effect of reaction pressure on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by 20%Ni/N-rGO catalystReaction conditions:T=150 ℃;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
由圖7可見,隨著反應(yīng)壓力的增大,苯酚轉(zhuǎn)化率先增大后趨于平緩,而環(huán)己酮選擇性先增大后減小。當(dāng)反應(yīng)壓力為0.4 MPa時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率為90.99%,環(huán)己酮選擇性最高為61.92%。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),適當(dāng)增大反應(yīng)壓力可有效提高催化活性及環(huán)己酮選擇性;環(huán)己酮是中間產(chǎn)物穩(wěn)定性較差,隨著反應(yīng)壓力繼續(xù)增大,環(huán)己酮可能會(huì)繼續(xù)加氫生成其他副產(chǎn)物,因而壓力過高環(huán)己酮選擇性會(huì)下降。
2.2.6 反應(yīng)時(shí)間對催化劑反應(yīng)性能的影響
在反應(yīng)溫度為150 ℃、反應(yīng)壓力為0.4 MPa、劑/酚質(zhì)量比為0.35的條件下,考察反應(yīng)時(shí)間對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖8所示。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖8 反應(yīng)時(shí)間對20%Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.8 Effect of reaction time on hydrogenation of phenol to cyclohexanone catalyzed by 20%Ni/N-rGO catalystReaction conditions:T=150 ℃;p=0.4 MPa;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
由圖8可見,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,苯酚轉(zhuǎn)化率呈上升趨勢,而環(huán)己酮選擇性先升高后下降。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2.0 h時(shí),苯酚轉(zhuǎn)化率為90.01%,環(huán)己酮選擇性最高為62.03%。這是因?yàn)殡S反應(yīng)時(shí)間延長,較多活化的氫原子與苯酚充分接觸,促進(jìn)苯酚加氫生成環(huán)己酮;但隨著反應(yīng)時(shí)間過長,未及時(shí)脫附的環(huán)己酮會(huì)繼續(xù)和氫氣反應(yīng)生成其他副產(chǎn)物,導(dǎo)致環(huán)己酮選擇性下降。
2.2.7 20%Ni/N-rGO催化劑的穩(wěn)定性
催化劑穩(wěn)定性是評價(jià)催化劑性能指標(biāo)的重要因素之一。將20%Ni/N-rGO催化劑重復(fù)利用,考察催化劑重復(fù)利用次數(shù)對苯酚選擇性加氫制環(huán)己酮的影響,結(jié)果如圖9所示。
由圖9可見:20%Ni/N-rGO催化劑重復(fù)使用3次后,苯酚轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮選擇性略有下降;當(dāng)20%Ni/N-rGO催化劑重復(fù)使用5次后,苯酚轉(zhuǎn)化率和環(huán)己酮選擇性下降比較明顯,苯酚轉(zhuǎn)化率下降約9百分點(diǎn),環(huán)己酮選擇性降至50.93%。這可能是隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加,催化劑活性不斷流失及催化劑嚴(yán)重團(tuán)聚造成的。
(1)通過N2吸附-脫附、XRD、SEM等表征手段對制備的載體N-rGO和不同鎳負(fù)載量Ni/N-rGO催化劑進(jìn)行表征,結(jié)果表明:載體N-rGO具有較大的比表面積和均勻的孔道結(jié)構(gòu);Ni/N-rGO催化劑中活性組分鎳在N-rGO載體表面分散相對均勻,局部有團(tuán)聚現(xiàn)象;適當(dāng)?shù)拥膿诫s有利于提高催化劑的反應(yīng)活性和選擇性。
x—The conversion rate of phenol;s—The selectivity of cyclohexanone圖9 20%Ni/N-rGO催化劑重復(fù)使用次數(shù)對催化苯酚加氫制環(huán)己酮的影響Fig.9 Effect of 20%Ni/N-rGO catalyst reuse times on hydrogenation of phenol to cyclohexanoneReaction conditions:T=150 ℃;p=0.4 MPa;t=2.0 h;m(Ni/N-rGO)/m(Phenol)=0.35
(2)通過考察催化劑的制備條件(活性金屬負(fù)載量、尿素添加量及H2還原溫度)和反應(yīng)條件(溫度、壓力、時(shí)間)對Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制備環(huán)己酮的影響,得到Ni/N-rGO催化劑的最佳制備條件為:鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、尿素/GO質(zhì)量比30、H2還原溫度450 ℃;Ni/N-rGO催化劑催化苯酚加氫制備環(huán)己酮的最佳反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度150 ℃、反應(yīng)壓力0.4 MPa、反應(yīng)時(shí)間2.0 h;20%Ni/N-rGO催化劑在最佳反應(yīng)條件下催化苯酚加氫制備環(huán)己酮,苯酚轉(zhuǎn)化率可達(dá)91.93%,環(huán)己酮選擇性可達(dá)61.75%。
(3)Ni/N-rGO催化劑制備工藝簡單、成本低且具有較好的加氫性能,但其穩(wěn)定性較差、高溫易團(tuán)聚,因此后續(xù)可以通過添加其他助劑或改進(jìn)催化劑制備方法對Ni/N-rGO催化劑進(jìn)一步改性優(yōu)化。