信息化背景下的石油化工催化劑生產(chǎn)成本統(tǒng)籌分析研究

陳普信，李 照，吳海君

(1.中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司，上海 200120；2.森諾科技有限公司，山東 東營 257000)

經(jīng)過20多年的高速發(fā)展，石油企業(yè)已經(jīng)遍布祖國的大江南北，而如此龐大的產(chǎn)業(yè)體系需要與之相適應(yīng)的會計信息化體系，在網(wǎng)絡(luò)信息化高速發(fā)展的背景下，作為會計與信息技術(shù)相結(jié)合的石油化工會計信息系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的會計電算化逐步向網(wǎng)絡(luò)信息化管理邁進(jìn)，這種轉(zhuǎn)變也將更有利于解決會計電算化的“孤島”現(xiàn)象，很大程度上也將提高會計管理決策。在會計信息化高速發(fā)展以及在石油化工企業(yè)中不斷普及的前提下，應(yīng)用于石油化工催化劑的開發(fā)與應(yīng)用也逐漸受到越來越多人的關(guān)注[1-3]，這主要是因為催化劑的使用將極大影響石油化工企業(yè)的能源開發(fā)和環(huán)境污染等問題[4]，有必要開發(fā)出適應(yīng)于會計信息化背景下的高性能催化劑。目前，傳統(tǒng)的納米催化劑的制備工藝較為復(fù)雜且生產(chǎn)成本較高[5]，在會計信息化系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)成本核算等問題，有必要開發(fā)工藝簡單、成本可控、價格低廉以及環(huán)境友好型石油化工催化劑[7-9]。在此基礎(chǔ)上，本文基于會計信息化石油化工催化劑需求的增加，采用化學(xué)還原和光還原法在g-C3N4超薄納米片(CNS)上負(fù)載Pt NPs制備Pt/g-C3N4催化劑，對比分析了2種制備方法下Pt/g-C3N4催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和光催化性能，結(jié)果將有助于高催化性能的石油化工催化劑的開發(fā)并推動其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料和化學(xué)試劑：中國醫(yī)藥集團(tuán)有限公司提供的分析純?nèi)矍璋?C3H6N6)、分析純檸檬酸鈉、分析純硼氫化鈉、分析純?nèi)掖及?、分析純氯鉑酸(H2PtCl6)、分析純甲醇、分析純?nèi)樗岷头治黾僂DTA二鈉；體相g-C3N4(CNB)和超薄多孔g-C3N4納米片(CNS)，市場上采購。

1.2 試樣制備

化學(xué)還原法(CR)[10]制備Pt/g-C3N4：將16 mg CNS和20 mL蒸餾水混合均勻并超聲處理28 min，之后加入0.03 g檸檬酸鈉+ 0.04 mol/L氯鉑酸，攪拌均勻后加入0.4 mL硼氫化鈉水溶液，攪拌15 min后進(jìn)行離心處理并在溫度58 ℃干燥箱中干燥。其中，Pt NPs/CNS質(zhì)量比分別為0～2.5，當(dāng)質(zhì)量比為0時記為CNS，質(zhì)量比為2時記為2%Pt/CNS-CR，以此類推。如果采用CNB替代CNS，則采用上述相同的方法，如質(zhì)量比為2時記為2%Pt/CNB-CR。

光還原法(PR)[11]制備Pt/g-C3N4：將0.1 g CNS與 Pt前驅(qū)體溶液混合后，在 300 W氙燈下照射2 h，之后進(jìn)行離心和洗滌，在溫度58 ℃干燥箱中干燥后得到Pt/CNS-PR催化劑，其中，當(dāng)Pt負(fù)載量為2%時記為2%Pt/CNS-PR，以此類推。

1.3 測試方法

采用Siemens D5005型X射線衍射儀對催化劑進(jìn)行物相分析；采用MICROMERITICS Tristar 3000型比表面積測試儀測試催化劑的比表面積(BET)[12]；采用Thermo ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀測試催化劑的光電子能譜曲線；采用FLSP 920型熒光光譜儀測試光致發(fā)光光譜[13]；采用IE 6.0型電化學(xué)工作站測試催化劑的電化學(xué)阻抗譜；光催化性能在GC-7920型氣相色譜儀上進(jìn)行，分別測試光催化過程中的產(chǎn)氫量并計算產(chǎn)氫速率[14]，光照條件為300 W氙燈，溫度為室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相分析

圖1為納米催化劑的X射線衍射分析結(jié)果。

(a)CNS和Pt/CNS-PR

(b)Pt/CNB-CR圖1 石油化工催化劑的XRD圖譜Fig.1 XRD spectrum of petrochemical catalyst

從圖1(a)可以看出，CNS和Pt/CNS-PR在(100)晶面和(002)晶面存在g-C3N4的衍射峰，分別在13.2°和27.7°；在CNS表面負(fù)載不同含量的Pt/CNS后，可以在XRD圖譜中發(fā)現(xiàn)(111)晶面的Pt衍射峰，但該峰強(qiáng)度較弱，這可能與其含量較低以及在復(fù)合物中的分散性較好等有關(guān)。當(dāng)Pt/CNB-CR中質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%及以上時，復(fù)合物中可見(111)和(200)精密的Pt NPs衍射峰，具體如圖1(b)所示；這主要與此時該相在CNB中含量較高以及分散性較差有關(guān)[15]。

2.2 顯微形貌

圖2為石油化工催化劑的顯微形貌和粒徑分布。

a-CNB;b、c-CNS；d、g-2.0%-Pt/CNS-CR；e、h-2.0%-Pt/CNS-PR；f、i-2.0%-Pt/CNB-CR圖2 石油化工催化劑的顯微形貌和粒徑分布Fig.2 Micromorphology and particle size distribution of petrochemical catalyst

從圖2可以看出，對于CNB而言，微觀形貌上呈現(xiàn)較厚的塊狀，表面未見孔洞、裂紋等；經(jīng)過熱氧化刻蝕處理后，CNS表面變得褶皺且在表面可見較多的微孔，這說明其具有相對CNB更高的比表面積和更多的活性位點。對于2.0%-Pt/CNS-CR，微觀形貌上可見Pt NPs在CNS表面分布較為均勻，未見明顯偏聚現(xiàn)象，測量結(jié)果表明Pt NPs的平均粒徑約為(2.0±0.2)nm；對于2.0%-Pt/CNS-PR，負(fù)載到CNS表面的Pt NPs的平均粒徑約為(1.8±0.3)nm；對于2.0%-Pt/CNB-CR，負(fù)載到CNS表面的Pt NPs的平均粒徑約為(8.2±2.9)nm，且PtNPs在CNB表面發(fā)生了較為嚴(yán)重的偏聚，尺寸明顯大于2.0%-Pt/CNS-PR和2.0%-Pt/CNS-CR中的Pt NPs，這主要與Pt NPs在2.0%-Pt/CNB-CR中的分散性相對較差[16]有關(guān)。

2.3 催化性能

圖3為石油化工催化劑的石油化工催化劑的氮氣吸附-脫附曲線，分別列出了CNB、CNS和Pt/CNS-CR的氮氣吸附-脫附曲線。

圖3 石油化工催化劑的氮氣吸附-脫附曲線Fig.3 Nitrogen adsorption desorption curve of petrochemical catalyst

從圖3的測量結(jié)果可以看出，CNB的比表面積為10.89 m2/g，CNS的比表面積為234.65 m2/g，Pt/CNS-CR的比表面積為172.01 m2/g。由此可見，復(fù)合物比表面積從大至小順序依次為：CNS、Pt/CNS-CR、CNB，催化劑的比表面積越大，則表明該復(fù)合物的表面活性位點越多[17]，可以負(fù)載更多的載體(Pt NPs等)，這有利于提升催化劑的光催化活性。

圖4為石油化工催化劑的光致發(fā)光光譜和電化學(xué)阻抗譜。

圖4 石油化工催化劑的光致發(fā)光光譜圖和 電化學(xué)阻抗譜圖Fig.4 Photoluminescence spectrum and electrochemical impedance spectrum of petrochemical catalyst

從4(a)可以看出，熒光發(fā)射峰峰強(qiáng)從高至低順序依次為：CNS、Pt/CNS-PR、Pt/CNS-CR，熒光發(fā)射峰強(qiáng)最高的是CNS，這也說明其具有最高的光生電子和空穴復(fù)合率；而熒光發(fā)射峰強(qiáng)最低的是Pt/CNS-CR，這主要是因為催化劑中具有抑制光生電子和空穴復(fù)合的Pt助劑，Pt在Pt/CNS-CR中抑制光生電子和空穴復(fù)合的能力比在Pt/CNS-PR更強(qiáng)[18]。

從圖4(b)可以看出，3種試樣的電化學(xué)阻抗譜中都可見不同的圓弧半徑，且圓弧半徑從大至小順序依次為：CNS、Pt/CNS-PR、Pt/CNS-CR，根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的圓弧半徑與載流子遷移電阻之間的對應(yīng)關(guān)系可知，圓弧半徑越大則電阻越大[19]；這表明催化劑CNS的電阻最大，Pt/CNS-CR的電阻最小。

圖5為石油化工催化劑的產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速率。

(a)Pt/CNS-CR/PR 產(chǎn)氫量

(b)Pt/CNS-CR/PR 產(chǎn)氫速率

(c)Pt/CNS-PR產(chǎn)氫量

從圖5(a)可以看出，隨著光照射時間的延長，石油化工催化劑的產(chǎn)氫量都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；但在相同時間下催化劑的產(chǎn)氫量明顯不同，其中，2%-Pt/CNS-CR的產(chǎn)氫量在相同光照射時間下最大，且Pt/CNS-CR在相同光照射時間下的產(chǎn)氫量都高于CNS和2%-Pt/CNB-CR；

從圖5(b)可以看出，催化劑的產(chǎn)氫速率從大至小順序依次為：2%-Pt/CNS-CR、1.5%-Pt/CNS-CR、1%-Pt/CNS-CR、2.5%-Pt/CNS-CR、2.6%-Pt/CNS-CR、2%-Pt/CNS-PR，且2%-Pt/CNS-CR的產(chǎn)氫速率約為2%-Pt/CNS-PR的6.92倍。

從圖5(c)可以看出，隨著光照射時間的延長，Pt/CNS-PR催化劑的產(chǎn)氫量逐漸增大，這與Pt/CNS-CR的變化趨勢保持一致。

從圖5(d)可以看出，催化劑的產(chǎn)氫速率從大至小順序依次為：2%-Pt/CNS-PR、1.5%-Pt/CNS-PR、1%-Pt/CNS-PR、2.5%-Pt/CNS-PR。對比分析可見，隨著光照射時間的延長，Pt/CNS-CR的產(chǎn)氫速率會隨著Pt含量增加先增加后減小，2%-Pt/CNS-CR取得最大產(chǎn)氫速率，繼續(xù)增加Pt含量反而會使得產(chǎn)氫速率減小。這主要是因為適量Pt會在一定程度增加表面活性而增大產(chǎn)氫速率；但當(dāng)Pt過量時又會在CNS/Pt界面產(chǎn)生較高的肖特基勢壘[20]，產(chǎn)氫速率反而會減小。此外，Pt/CNS-CR和Pt/CNS-PR催化劑的產(chǎn)氫速率都高于2%-Pt/CNB-CR，這主要是因為后者的表面存在較大尺寸的Pt NPs，在很大程度上會減弱電子傳輸能力，不利于光催化制氫[21]，相應(yīng)地產(chǎn)氫速率較低。

3 結(jié)語

整體而言，石油化工業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著重要地位，各行業(yè)中都會含有化工的影子，化工產(chǎn)品種類繁多。本文研究的化工催化劑制備與生產(chǎn)成本統(tǒng)籌，主要是從工藝技術(shù)優(yōu)化，降低成本、提高產(chǎn)能來拓展市場。因此采用化學(xué)還原和光還原法在g-C3N4超薄納米片(CNS)上負(fù)載Pt NPs制備Pt/g-C3N4催化劑，雖然Pt/CNS-CR和Pt/CNS-PR催化劑的產(chǎn)氫速率都高于2%-Pt/CNB-CR；但2%-Pt/CNS-CR更適宜于在信息化背景下的石油化工催化劑生產(chǎn)成本統(tǒng)籌分析中的應(yīng)用，同時結(jié)果將有助于高催化性能的石油化工催化劑的開發(fā)并推動其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。