2006年8月 辛全礼等.非晶态合金催化剂的制备与表征研究 29 非晶态合金催化剂的制备与表征研究 辛全礼 吕志果 郭振美 (青岛科技大学化工学院,青岛266042) 摘 要 对非晶态合金催化新材料的制备及表征技术发展状况进行了综述。阐述了淬冷法、 化学沉积法、化学还原浸渍法制备的非晶态合金催化剂的优缺点。介绍了对非晶态合金催化剂的 非晶结构、表面形态、活性中心等进行表征和定性的XRD、EXAFS、DSC、SEM和XPS等方法。 关键词 非晶态合金催化剂 制备 表征 非晶态合金也称无定形合金或金属玻璃,最 早是指熔化体金属经快速淬冷而得到的金属合 金。随着合金制备方法的拓展,非晶态合金的概 念已不只限于上述合金,人们发现用化学还原法 也可以制备具有非晶态特点的合金。非晶态合金 其微观结构不同于晶态金属,具有短程有序、长程 抗中毒能力和优良的机械性能正日益受到化学工 作者的青睐,有望成为21世纪最有发展前途的新 型催化材料之一。 1非晶态合金催化剂的制备 有关用作催化材料的非晶态合金的制备、催 化性质和应用已有大量的文献报道。其中Mo1. nar无序的特点,在热力学上处于不稳或亚稳状态。 长程无序是指原子在三维空间呈拓扑无序状排 列,即不存在通常晶态合金所存在的晶界、位错和 偏析等缺陷,原子簇的堆积相对随机无序,没有明 显的规律性;短程有序是指在近邻配位层内呈有 序状态,通常在几个晶格常数范围内保持短程有 序,如最近邻原子间距离、配位数相对固定,形成 一 ̄1 J在1989发表的综述全面总结了80年代以来 非晶态合金作为催化材料的发展情况,并针对当 时非晶态合金的缺点,提出了非晶态合金催化剂 的发展方向:表面积的扩展和非晶态合金稳定化。 并且提出了解决以上问题的方法,即非晶态合金 的超细化和非晶态合金的负载化。90年代,人们 对超细非晶态合金粒子进行了系统的研究,而从 90年代末开始,负载型非晶态合金催化剂成为研 究的新热点。 种类似原子簇的结构。非晶态合金表面缺陷较 非晶态合金在催化领域的应用具有以下特 多,在热力学上属于非平衡的亚稳态。 用作催化剂的非晶态合金主要有3种:(1)淬 冷法制备的非晶态合金,通常呈粉状;(2)化学沉 积法制备的超细非晶态合金粒子;(3)化学还原浸 渍法制备的负载型非晶态合金。 1.1淬冷法 点:(1)非晶态合金可以在很宽的范围内调变其组 成,从而调变它们的电子结构,由此获得合适的催 化活性中心;(2)非晶态合金具有各向同性,不存 在晶态合金中存在的晶界、堆垛层错和偏析等缺 陷,催化活性中心可以以单一的形式均匀地分布 在化学均匀的环境中;(3)非晶态合金表面具有浓 度较高的不饱和中心,其表面能较高,这表明它们 具有高浓度的高度配位不饱和位,因而使其催化 活性和选择性一般要优于相应的晶态催化剂;(4) 众所周知,通常当熔融的合金冷却时,到某一 特定温度即开始生成结晶。但如果采用特殊手段 使冷却速度足够快(10 K/s以上),某些合金可能 迅速越过结晶温度而快速凝固,形成非晶态结构, 即在其微观结构中看不到通常全局和合金中所存 在的有序结构l2 J。淬冷法是目前工业上制备非晶 其表面的非多孔性使其摆脱了传统的多相催化剂 普遍存在的反应物种的内扩散影响表面反应的问 态合金的主要方法,其主要步骤是:将熔融的合金 压置到高速旋转的铜辊上使其骤冷,其冷却速度 收稿日期:2006.05.29。 作者简介:辛全礼,在读硕士研究生,研究方向为催化加 氢及催化剂新材料。 题,所以在传统的多相催化中存在的扩散的 问题不再影响表面反应。所有这些特点使非晶态 合金在多相催化中很具有吸引力l1]。作为一种高 效清洁的催化材料,其优良的催化活性、选择性、 维普资讯 http://www.cqvip.com
精30 细石油化工进展 ADVANCES IN兀NE PETROCHEMICALS 第7卷第8期 达到10 K/s,这样就制成了带状非晶态合金。这 种方法经进一步改进,也可以制备丝状非晶态合 金[ 。 采用上述技术制备的非晶态合金催化剂,其 比表面积小(小于1 m2/g),表面被氧化层覆盖,使 用前必须对表面改性。其催化剂内在结构中活性 组分仍呈聚集状态,没有实现有效分散和隔离状 态,因而非晶态活性组分易晶化,稳定性差。为克 服这些缺点,近几年来增加非晶态合金比表面积 的研究比较活跃,出现了一些新工艺,但总的来说 主要采用表面多孑L化。表面多孔化最典型的工作 是Kawashima 4 J在甲醇氧化的电催化研究中对非 晶态Ni—Pd—P合金的表面处理,其方法是将表面 镀zn的非晶态合金在晶化温度以下加热,使zn 扩散人合金,然后用高浓度碱溶液将zn浸出。这 种方法增大了电极的表面积,提高了反应活性。 另外,用不同的气氛处理样品表面也使表面积大 大增加l5 J,一般所用的气氛为CO/H2,H2O/N2等 混合气,这种方法的本质是使非晶态样品出现部 分晶化,表面裂纹增加,从而达到增大比表面积的 目的。 1.2化学沉积法 化学沉积的方法是利用强还原剂KBHd和 NaH PO 将溶液中的可溶性盐还原而得到非晶态 的沉淀物。虽然早在50年代就出现了用化学还 原法制备细小合金颗粒的报道,但直到1986年 Wonterghem等l7 J的研究才首次利用这种方法制备 了高效催化剂。化学还原法制备的非晶态合金粒 度可以达到纳米级,所以,非晶态合金的比表面积 有很大程度的提高。如利用化学还原法制备的 NiB非晶态合金表面积达到200 m2/g,其活性也是 利用淬冷法制备相应组分催化剂的50~100 倍 引。李同信 、范以宁 。 和沈俭一[ 等在超 细非晶态粒子研究方面作了许多有意义的工作, 成功地制备了Ni—P、Ni—B、Ni—P—B、 Ni…Fe P B等各种超细非晶态粒子。 二价金属粒子M 与BH4一在水或醇溶液中 的复杂反应由如下3个反应组成ll ]: BH4一+2H2O=BO2一+4H2十 (1) BH4一+2M2 +2H20=2M +BO2一+4H +2H2+ (2) BH4一+H2O=B +OH一+2.5H2十 (3) 反应(2)和(3)的系数就决定了非晶态合金的 组成。在负载型非晶态合金催化剂的制备中,上 述3个反应的速度除了与金属离子和反应条件有 关以外,还与载体的性质有密切的关系。如A1 O 的酸性有助于反应(3),但阻止反应(2),因而使非 晶态合金中B含量增大,另外,载体孔结构会对 传质过程产生影响,从而影响非晶态合金催化剂 的组成。 而由二价金属与H2PO2一在水溶液中反应可 以Ni 与H2PO2一在水溶液中反应为例: H2PO2一+Ni2 +H2O:H2PO3一+2H +Ni (4) P0j一+ O: PO3一+ t (5) _2H2PO):2P +4OH一 (6) 反应曲线呈s型表明了反应的自催化性质, 在反应中加入少量的诱导剂(如硼氢化物),可以 使反应在常温下迅速进行。用这种方法可制得粒 径为100 nm超细尺寸的非晶态NiP合金。 1.3化学还原浸渍法 非晶态合金的负载化是指在有载体的情况 下,利用KBH4或NaH2PO2将溶液中可溶性金属 离子还原沉积到载体上的过程。负载型非晶态合 金的研究在超细非晶态合金的基础上进行。因为 采用化学还原法制备的超细非晶态合金虽然表现 出良好的催化性能,可有效提高催化活性和选择 性,但由于其热稳定性很差,催化剂成本高且与产 物分离困难,工业化应用难度很大。 非晶态合金的负载化具有以下优点:(1)负载 型非晶态合金催化剂的制备技术简单;(2)非晶态 合金的负载化提高了非晶态合金的比表面积和晶 化温度,同时保持了非晶态合金良好催化活性的 优点,克服了超细粒子与产物分离困难的缺点; (3)超细非晶态合金粒子负载化,解决了超细非晶 态粒子成本高的问题,使其工业应用在经济上成 为可能。而邓景发 n]、马爱增 和李同信[ 等 的研究表明将非晶态合金负载化不仅改善了催化 剂的热稳定性,而且大大降低了催化剂成本,负载 化为非晶态合金催化剂的工业化应用提供了一条 有效途径。 制备负载型非晶态合金的技术关键是如何能 使非晶态合金完全、均匀和高分散地负载到载体 上。一般来说,目前的负载化技术可以分为3类: 第一类ll 是将载体置于含还原剂和金属离子的 维普资讯 http://www.cqvip.com
2006年8月 辛全礼等.非晶态合金催化剂的制备与表征研究 3l 混合溶液中,控制反应温度,使非晶态形成并沉积 在载体上。该方法适合于制备含P的非晶态合 金。邓景发等 最早利用第一类方法将Ni—P和 Co—P负载到SiO2载体上,但该方法存在的主要 缺点是,用还原剂H2PO2一还原镍离子时反应在整 个溶液中进行,很难保证形成的非晶态合金完全 沉积到载体上,因此,非晶态合金的收率较低。第 二类方法u 是用含金属离子的溶液浸渍多孔载 体,再将烘干的含金属离子的载体与强还原剂的 溶液接触,使载体上金属离子还原而形成负载型 非晶态合金,该方法适合于制备含B的非晶态合 金。第三类方法¨ ]是先用KBH4浸渍载体,再加 入金属离子发生反应,使非晶态粒子沉积到载体 上。该方法中由于KBH4极易水解,主要适用于 无水溶剂。实际上,在制备Ni一 }晶态合金过程 中加入少量Pd也能起催化作用u 。 采用这些合成方法制备了多种不同组元的非 晶态合金催化剂,其中NiB/SiO2、NiP/SiO2体系是 研究最广泛的。此外,文献报道的新型负载型非 晶催化材料有CoB/SiO2 ]、CuB/SiO2Ns 3、RuB/ SiO,u 9]等。除了研究二元体系外,近年来,出现了 多元M—M 一P/SiO2,M—M 一B/SiO2系列和 M—P—B/SiO,系歹4,如Ni—Co—B[2。]、 Ni—P—B 1]催化剂。其中第二种金属的加入有 利于提高非晶态的晶化温度,为提高非晶态合金 催化剂的稳定性提供了新思路。 但要加快负载型非晶态合金催化剂的应用, 目前的研究工作尚有以下不足:(1)其负载化的颗 粒仍太小,无法应用于工业反应器;(2)目前主要 是将非晶态合金负载于酸性较低的二氧化硅载 体,而对负载于工业应用更广泛的A1203等载体 上的研究甚少;(3)目前负载型非晶态合金催化剂 性能评价的数据大多在非连续的间歇反应器中获 得,这些结果很难指导工业实际操作;(4)负载型 非晶态合金催化剂在低温反应体系的应用探索较 多,而用于高温反应体系很少。因此,对非晶态合 金催化剂的继续深入研究应重点关注这些不足。 2非晶态合金催化剂的表征技术 2.1非晶态结构的确定 x射线衍射(XRD)是定性表征非晶态合金最 基本和最常用的方法。x射线衍射(XRD)图谱显 示非晶态合金在20=45。附近观察到一个特征宽 化弥散峰,经高温处理后弥散峰消失,出现一系列 晶相峰。非晶态合金是长程无序的,其衍射类型 为弥散峰而不是连续的尖峰,可以用XRD技术跟 踪非晶态结构在预处理、热处理及反应过程中结 构的变化情况,如可能出现中间亚稳晶相等,由此 可以推测催化活性中心。 扩展x射线衍射精细结构分析(EXAFS)是研 究短程有序的非晶结构中各组成元素间配位的最 有效手段之一。EXAFS适用于研究原子簇短程 结构,可以用来研究短程有序的非晶态结构,给出 环绕某一特定性物种的一些原子排列的结构。 Petifer等【 ]用EXAFS方法研究A Te 的晶态及 非晶态结构,结果表明非晶态结构的短程有序性 比相应的晶态结构高,这是因为As—Te键中金属 键变成了共价键。Hunter等用EXAFS研究 Cu—As—Se的非晶态结构及晶态结构表明,Cu在 两种结构中的配伍情况是相似的。EXAFS的径 相分布函数(RDF)显示非晶态合金只在第一配位 层出现一个RDF的振动峰,而对应的晶态样品还 可以在长程范围内观察到较强的振动峰。运用 EXAFS不仅可以进一步确证样品是否具有非晶 态结构特征,而且能够测定物质中不同类别原子 周围的配位环境,即被考察原子配位层中原子的 配位数和原子间距等,是一个理想的用于表征非 晶态物质近邻结构的手段。 另外,选区电子衍射(SAED)可显示非晶态合 金具有特征弥散环的电子衍射图。穆斯堡尔谱图 通过其展宽的六线峰谱可进一步确认样品的非晶 态结构。 2.2非晶态合金物性的其他表征 差示扫描量热法(DSC)和微分热分析(DTA) 都可以测定非晶态合金催化剂在热处理或反应气 氛下的晶化过程。非晶态是一种亚稳态,转变为 稳定的晶态时放出热量,在DSC曲线上表现为放 热峰。并且放热峰的数目可以说明其晶化步骤, 放热峰对应的温度可判断其热稳定性[23]。DTA 还可以计算晶化焙变和晶化活化能等非晶态结构 参数,提供非晶态的热稳定性等信息。 维普资讯 http://www.cqvip.com
精 细32 石 油 化工进展 第ADVANCES IN兀NE PETROCHEMICALS 7卷第8期 利用SEM(扫描电镜)和TEM(透射电镜)确定 样品的表面形貌和非晶态合金颗粒粒径。新制备 的非晶态合金表面通常呈棉絮状,粒子的平均粒 径在几到几十纳米。经晶化后粒径增大,并发生 明显的团聚现象,非晶态合金表面逐渐由棉絮状 转化为块状。借助于SEM可以直观的显示出在 预处理及反应前后结构的变化。例如:SEM结果 表明含zr的非晶态合金在用HF活化后表面形成 粗糙的Raney型多孔表面,使催化活性大大增 强[ 引。 利用XPS(x射线光电子能谱)和AES(俄歇 光电子能谱)确定样品的表面组成和表面电子态。 XPS获得的数据直接反映了样品表面原子或分子 的电子层结构,因此,具有对样品表面元素及其状 态变化分析的能力。Asami等 J用XPS考察了 Ni—Fe—P非晶态合金,发现有电子从金属向磷 原子转移,这样就可以解释Ni—Fe—P非晶态催 化剂的一些催化活性。AES能谱可以测得样品经 刻蚀后的元素及其状态。对于非晶态合金催化剂 来讲,由于表面的电子状态对合金的催化活性有 影响,所以,XPS和AES是非常有用的表征方法。 ICP(电感耦合等离子光谱)确定样品的负载 量和非晶态合金组成;BET(多层吸附)确定催化 剂的总比表面积;TPD(程序升温脱附)确定催化 剂活性中心种类和对氢的吸附量及吸附力的强 弱;TPR(程序升温还原)确定非晶态合金催化剂 的前驱态中氧化物种的种类及被氢还原的能力。 氢吸附确定催化剂活性、比表面积和分散度;固态 NMR可确定元素在催化剂表面的分布;化学滴定 确定催化剂金属离子的还原度;IR(红外光谱)及 Raman光谱考察非晶态合金与载体的几何作用。 通过上述表征,可阐述非晶态合金催化剂活 性中心的本质——几何效应和电子效应的影响、 非晶态合金的晶化行为及对催化性能的影响、金 属或类金属添加剂的化学和结构修饰、载体与非 晶态合金的相互作用及对非晶态结构的稳定性作 用、非晶态合金的抗硫中毒能力以及非晶态合金 的失活和再生机理等。 随着各种新技术的出现,必然还会涌现出更 多新的非晶态表征手段。 参考文献 l Molnar A,Smith G V,Bartok M.Advances Catalysis,1989,36:329 2梁娟,王善均.催化剂新材料.北京:化学工业出版社,1990.136 3吴静,殷恒波,张振祥等.非晶态合金催化剂的研究进展.沈阳 化工学院学报,1996,10(4):334~335 4宗保宁,董树忠,闵恩泽.非晶态金属合金作催化材料的研究 ——I.Ni—P非晶态合金对苯乙烯加氢的活性.化学学报, 1989,47(11):1052~1055 5 Shibata M,Kawata N,Masumoto T.J Catal,1985,96:296 6 Shimogaki Y,Komiyama H,Inoue H.Chem Lett,1985,661~664 7 Wonterghem J Van,Morup S,Wells S,et al,Nature,1986,322:622 8杨军.超细Ni—B非晶态合金制备及表征:[学位论文].上海: 复旦大学,1990 9李同信,张秀峰,李和秋.非晶态超微粒子镍合金催化剂的研 究.催化学报,1995,16(4):299~304 lO范以宁,胡征,陈懿.镍基非晶态合金超细微粒催化剂的表面 状态和催化性能.科学通报,1995,40(1):39~41 11沈俭一,杨颖,非晶态超微粒子合金Fe84 P4B 2的化学制备法 及其特性研究.科学通报,1992,37(12):1092~1094 l2马爱增.负载型Ni—B非晶态合金催化剂的表征及催化性 能.催化学报,1999,20(6):603~607 13 Deng J F,Zhang X P,Min E Z.Appl Cata!,1988,37:33 l4马爱增,陆婉珍,闵恩泽.一种Ni—B非晶态合金催化剂、其 制备方法及应用.CN1 179358A.1996 15 Wang Weijiang,Qiao MinghlJa,Deng Jingfa.Applied Catla ̄u A, 1997.163:10l一109 l6 Li Hexing,Dai Weilin,Deng Jingfa.Chemistry Letters。1997.2: l33~l34 l7陈兴凡,庄莉,李和兴.Co—B/Si02非晶态催化剂用于肉桂醛 选择性加氢制备肉桂醇的研究.复旦学报(自然科学版), 2002,41(6):295~300 l8杨儒,钟炳,徐耀等.负载型非晶态Cu/SiO2催化剂的非晶性 质.催化学报,1998,19(4):300 304 19 Xie S H,Qiao M H,Deng J F.Appl Catal A,1999.176:129—130 20付峰,李东升,唐龙等.超细非晶态NiCoB合金催化剂的制备及 其对大豆油加氢活性研究.化学研究与应用,2005,(5):670 673 2l马延风,张,李伟等.NiB、NiP与NiPB非晶态合金的物性 与催化性能研究.南开大学学报(自然科学版),2004,37(3): 6l一66 22 Petifer R F.The S ̄ctttre of Non—Crgstalline Materials.London: Taylor'and Francis Ltd,1997.63 23杨建明,吕剑,安忠维.非晶合金镍系催化剂研究进展.工业 催化,2000,8(5):l8 24 24 Smith G V,Brower W E,Matyjaszczyk M S,et a1.In:Prol Int Conga" Catal 7 ,Tokyo,1980.355 25 Asami K,Kimura H M,Hashimoto K,et a1.J Non—Crgst Solids, 1984,64(1):l49 l6l (下转第36页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
精细石油化工进展 36 第7卷第8期 ADVANCES IN F1NE PETR0CHEMICALS 4结论 乙烯生产的要求。 (1)以2种性能较好的加氢异构脱蜡基础油 (3)研制的增塑剂具有很好的抗氧化、抗老化 5CST和10CST作主要组分油,添加抗氧剂A和防 性能。 老剂c,研制出聚苯乙烯专用增塑剂。 (2)研制的增塑剂粘度更符合技术标准要求, 参考文献 并具有较好的低温流动性,馏程较窄,可满足聚苯 1 薛小栋.橡胶增塑剂——环烷基油.中国橡胶,2OO5,21(10):26~28 Preparation of Plasticizer for Polystyrene Using Hydroisomerization Dewax Base Oil ji Chunyi An Yanjie (1.Daqing No.1 Blending Plant,PertroChina,Daqing 16371 1; 2.Research Institute of Daqing Petrochemical Co.,Pertro China,Daqing 1 637 1 4) Abstract A dedicated plasticizer for polystyrene Was prepared using hydmisomerization dewax base oil as main component and adding antioxidant and antiager.The performances of the plasticizer could satisfy the technical start. dards of the plasticizer for polystyrene.The plasticizer could substitute for similar foreign products. Key Words plasticizer,hydroisomerization dewax base oil,polystyrene (上接第32页) Renew on Preparation and Characterizati0n of Amorphous Alloy Catalysts Xin Quanli Lu Zhingo Guo Zhenmei (College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042) Abstract The preparation and characterization of amorphous alloy catalysts were summarized.The advantages and disadvantages of the catalysts prepared by rapid quenching method,chemical sediment method,and chemical reduC. tion impregnation method were discussed.The XRD,EXAFS,DSC,SEM and XPS methods for determining and char. acterizing amorphous structure,surface morphology and active center of the catalysts were introduced. Key Words amorphous alloys,catalyst,preparation,characterization 2005年生物基化学品市场达770亿美元 据McKinsey&Co公司分析,由生物基原料生产的化学品2005年全球销售额达到770亿美元,到 2010年该销售额年增长率为10%,将达到1 250亿美元。关键的增长领域是生物燃料,如生物柴油和乙 醇;医药组分;聚合物和酶制剂。生物燃料的需求将受指令而驱动。为满足这一需求和持续增长, 必须开发可使用宽范围原料的工艺。 钱伯章摘译自CW,2006—07—20
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