NiAlPO4-5分子筛的合成及加氢脱硫性能
冯冰*, 孙华阳, 黄羚翔, 王艳丹, 孙厚祥, 张德奇, 张忠光, 张馨月, 郭巧霞, 申宝剑*
中国石油大学(北京)化学工程学院,重质油国家重点实验室,CNPC催化重点实验室,北京 102249
通讯联系人:冯 冰;申宝剑,男,教授,主要从事多孔催化材料及炼油催化剂研究。

作者简介:冯 冰,1985年生,男,博士,上海市人,研究方向为能源催化。

摘要

采用水热合成法合成不同氧化镍含量的NiAlPO4-5分子筛。红外、紫外漫反射和氢气升温还原表征结果揭示合成的NiAlPO4-5分子筛中骨架Ni和非骨架Ni共存。金属镍对AlPO4-5分子筛骨架的取代没有改变分子筛晶体结构。NiAlPO4-5分子筛比表面积相比AlPO4-5分子筛下降,晶粒增大,酸量提升。NiAlPO4-5分子筛应用到二苯并噻吩加氢脱硫反应,其加氢脱硫活性高于AlPO4-5和等体积浸渍法制备Ni负载的Ni/AlPO4-5分子筛。与WO3负载氧化铝的传统加氢处理催化剂(W/A)相比,引入NiAlPO4-5制备的催化剂W/A+NiAlPO4-5显示出更高的二苯并噻吩加氢脱硫活性。

关键词: 催化化学; NiAlPO4-5; 水热合成; 二苯并噻吩; 加氢脱硫
中图分类号:0643.36;TQ424.25    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2018)05-0070-07
Synthesis of NiAlPO4-5 and activity in hydrodesulfurization
Feng bing*, Sun Huayang, Huang Lingxiang, Wang Yandan, Sun Houxiang, Zhang Deqi, Zhang Zhongguang, Zhang Xinyue, Guo Qiaoxia, Shen Baojian*
State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,Key Laboratory of Catalysis of CNPC,College of Chemical Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China
Abstract

NiAlPO4-5 zeolites with various NiO contents were synthesized by hydrothermal synthesis method.FT-IR, UV-Vis DRS and H2-TPR characterization showed that metal Ni existed in framework and non-framework in NiAlPO4-5 zeolite. Introduction of Ni did not change the typical crystal structures of AlPO4-5 zeolite.Surface area of NiAlPO4-5 zeolites was lager, crystal size was bigger and acid amount was more than AlPO4-5.When applied in hydrodesulfurization of dibenzolthiophene, NiAlPO4-5 showed higher activity than AlPO4-5 and Ni/AlPO4-5 prepared by incient wetness impregnation. W/A+NiAlPO4-5 showed higher activity in hydrodesulfurization of dibenzolthiophene than traditional WO3supported Al2O3hydrotreating catalysts (W/A).

Keyword: catalytic chemistry; NiAlPO4-5; hydrothermal synthesis; dibenzolthiophene; hydrodesulfurization

磷铝分子筛(AlPO4-5)具有独特的三维孔道结构, 属六方晶型, 十二元孔道, 开口孔径(0.7~0.8) nm, 独特的晶体结构使其具有良好的热稳定性和水热稳定性, 是一种在多个领域具有潜在用途的分子筛, 一直以来备受关注[1, 2, 3]。AlPO4-5分子筛骨架, 由严格交替排列的PO4+和AlO4-四面体组成, 骨架呈电中性, 不存在可交换的阳离子, 导致酸性极弱, 虽然孔道体系发达但缺乏反应活性中心。而磷酸铝系分子筛的骨架比较容易引入杂原子, 形成反应活性中心。

磷铝分子筛骨架元素的同晶取代一直以来是国内外学术领域研究的热点。目前已经合成了几十种杂原子取代的AlPO4-5分子筛, 包括二价的Mg2+和Mn2+, 三价的B3+和Fe3+, 四价的Zr4+和Sn4+[4, 5, 6, 7]。Manjó n-Sanz A等[8]以N-甲基二环己基胺为结构导向剂合成含有晶间介孔的杂原子AlPO4-5分子筛。Feng B等[9]报道了FeAlPO4-5分子筛中Fe的分散与配位状态, 发现铁以四配位、畸变四配位及非骨架Fe形式存在, 而且非骨架Fe以单分散形式存在。Karthik M等[10]以十六烷基三甲基溴化铵为模板剂将Co、Mg等原子引入AlPO4-5分子筛。杂原子的引入可以提高间甲酚与叔丁醇的叔丁基化反应活性。Alfayate A等[11]研究不同三价钛源、钛含量及模板剂等对合成TiAlPO4-5的影响, 并且基于一系列的表征提出试验性的初步模型:OH-作为电荷补偿剂补偿Ti(Ⅲ )氧化产生的正电荷, 在AFI晶体孔内存在P-OH晶体缺陷。Sá nchez-Sá nchez M等[12]成功实现二价和四价的锡分别取代AlPO4-5分子筛骨架的Al3+和P5+, 发现Sn(Ⅳ )APO-5和Sn(Ⅱ )APO-5在苯甲醚的Friedel-Crafts反应中显示高的催化活性。除不同杂原子分子筛制备方法外, 更值得关注的是引入的杂原子金属或氧化物AlPO4-5分子筛兼具稳定的反应活性位和适宜的反应空间。另外, 与体相或者聚集在分子筛表面的金属或金属氧化物相比, 限域于AlPO4-5分子筛孔内的金属或金属氧化物展现出独特特性[13, 14]

本文研究不同Ni含量的NiAlPO4-5杂原子分子筛的合成及加氢脱硫性能。

1 实验部分
1.1 分子筛与催化剂制备

采用水热合成法制备NiAlPO4-5分子筛。Ni源为六水硝酸镍, 模板剂为三乙胺(Et3N), 凝胶配比n(Al2O3): n(Ni): n(P2O5): n(Et3N): n(H2O)=1.0: 0.x: 1.06: 1.47: 45, 晶化温度180 ℃, 晶化时间16 h, 经过滤、洗涤、干燥和焙烧后得到NiAlPO4-5分子筛样品, 其Ni含量(以NiO质量分数计)分别为1.3%和2.4%, 标记为NiAlPO4-5(1)和NiAlPO4-5(2)。

AlPO4-5分子筛制备方法同上, 不加入Ni源。

采用等体积浸渍法制备Ni负载的Ni/AlPO4-5分子筛。

WO3负载型加氢脱硫催化剂制备:将质量分数26%的NiAlPO4-5或AlPO4-5分子筛与传统质量分数74%的氧化铝Al2O3载体混合均匀-成型, 得到复合载体。采用等体积浸渍法负载质量分数15%的WO3, 得到催化剂为W/A+NiAlPO4-5或者W/A+AlPO4-5。单独氧化铝为载体的催化剂为W/A。

1.2 分子筛表征

采用Panalytical X’ pert PRO X射线衍射仪分析物相结构, CuKα , Ni滤波, 连续扫描, 工作电压40 kV, 工作电流40 mA, 物相扫描速率2° · min-1

相对结晶度=[待测(AlPO4-5在19° ~23° 的X射线衍射峰的峰面积)/标准(AlPO4-5在19° ~23° 的X射线衍射峰的峰面积)]× 100%

采用FT-IR表征分子筛引入杂原子后骨架振动发生变化, 型号Thermo Fisher Nicolet IS10, 测定范围(400~4 000) cm-1

紫外漫反射在Hitachi U-4100 光谱仪上进行。

采用美国麦克仪器公司ASAP 3020 automated system进行N2吸附-脱附测定样品比表面积、孔体积及孔分布。

采用扫描电子显微镜Quanta 200F进行样品晶体形貌分析, 加速电压(200~300) kV, 分辨率1.2 nm。将干燥好的样品研磨至细颗粒, 放入样品盘, 喷金处理后将样品在真空条件下净化, 进行扫描测试。

采用美国麦克仪器公司2920型化学吸附仪进行程序升温脱附NH3-TPD和序升温脱附H2-TPR, 表征样品酸量和还原性能。

采用Panalytical AxiosMax型光谱仪进行XRF分析样品的元素含量。

采用Thermo Fisher K-Alpha光电子能谱测定仪进行XPS表征分子筛表面金属分布。

1.3 加氢脱硫评价

分子筛加氢脱硫评价:AlPO4-5、NiAlPO4-5及浸渍制备的Ni/AlPO4-5分子筛直接压片, 经粉碎、筛分后选取1 g的(40~60)目样品装填到固定床加氢微反装置中进行实验, 350 ℃硫化4 h, 随后通入硫含量1 000 μ g· g-1二苯并噻吩正癸烷溶液, 在反应压力4 MPa和反应温度330 ℃条件下进行反应评价, 空速3.5 h-1。加氢产物的硫含量通过泰州中环RPP-2000SN紫外荧光定硫仪进行分析, 炉温1 000 ℃。

催化剂加氢脱硫评价:反应压力4 MPa, 反应温度320 ℃, 空速8.4 h-1, 其他条件同分子筛评价条件。

2 结果与讨论
2.1 XRD

不同Ni含量合成的NiAlPO4-5分子筛的XRD图如图1所示。

图1 不同Ni含量合成的NiAlPO4-5分子筛的XRD图Figure 1 XRD pattern ofNiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

由图1可以看出, NiAlPO4-5分子筛为纯相AFI结构, 表明金属离子Ni的添加并没有造成晶相及骨架类型的转变。从峰强度来看, 金属的引入导致峰强度下降, 分子筛AlPO4-5、NiAlPO4-5(1)和NiAlPO4-5(2)的相对结晶度分别为100%, 89%和85%。杂原子金属对X射线有吸收作用, 导致衍射峰减弱。杂原子添加, 也偏离了合成AlPO4-5分子筛最合适的凝胶配比, 所以结晶度有所下降。

2.2 FT-IR

不同Ni含量合成的NiAlPO4-5分子筛的FT-IR谱图如图2所示。由图2可以看出, 添加杂原子后, 合成的NiAlPO4-5产品在(400~1 300) cm-1没有产生新的振动吸收峰, 且红外谱图与未掺杂的AlPO4-5分子筛大体一致, 表明金属杂原子对AlPO4-5分子筛骨架的取代不会造成分子筛晶体结构的改变。这与XRD表征结果一致。对AlPO4-5分子筛而言, 1 120 cm-1附近的红外吸收峰对应分子筛骨架的T— O— T四面体间的反对称伸缩振动, 710 cm-1附近的红外吸收峰对应分子筛骨架T— O— T四面体间的对称伸缩振动, 475 cm-1附近的红外吸收峰对应分子筛骨架磷氧键或铝氧键的弯曲振动[15], 金属取代的NiAlPO4-5分子筛其红外光谱特征峰均向低波数位置发生红移, 原因是由于Ni的原子半径比Al大, 发生取代后相比Al— O键, Ni— O键长变长, 骨架振动时所需要的能量低。样品骨架IR振动特征峰均发生红移, 进一步表明金属原子进入骨架, 使得一部分骨架增长。

图2 不同Ni含量合成的NiAlPO4-5分子筛的FT-IR谱图Figure 2 FT-IR spectra of NiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

2.3 UV-Vis DRS

不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的UV-Vis DRS谱图如图3所示。

图3 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的UV-Vis DRS谱图Figure 3 UV-Vis DRS spectra of NiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

由图3可以看出, AlPO4-5分子筛的紫外漫反射谱图在(200~500) nm有一个宽峰。NiAlPO4-5分子筛信号强度不大, 信噪较高, 具有两个紫外吸收峰, 位于405 nm附近强度较大的宽峰, 对应六配位八面体Ni2+离子的d-d跃迁, 而在630 nm附近, 两个NiAlPO4-5分子筛有一处强度很弱的小鼓包, 对应骨架四配位Ni2+离子的d-d跃迁[16], 一般强度较小, 不易发觉, 但若与未掺杂的AlPO4-5分子筛做比较, 可清晰分辨。两个NiAlPO4-5分子筛样品均具有比较明显的六配位Ni紫外吸收峰和较弱的四配位Ni紫外吸收峰, 表明在NiAlPO4-5分子筛样品中骨架Ni和非骨架Ni同时存在。

2.4 H2-TPR

不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的H2-TPR谱图如图4所示。

图4 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的H2-TPR谱图Figure 4 H2-TPR spectra of NiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

骨架外的金属原子主要以聚集态氧化物形式存在, 比较容易被氢气还原, 还原温度低, 而骨架取代的金属原子受到分子筛骨架强晶体场作用的保护, 在较低温度下难以被还原, 需要在高温下先破坏分子筛骨架, 从骨架脱除下来的金属才可能被氢气还原。通常骨架外金属物种的还原温度约400 ℃, 而进入骨架的金属物种还原温度超过700 ℃[17]。不同状态的金属物种其还原峰出峰位置的差别十分显著。由图4可以看出, NiAlPO4-5分子筛具有两个强度较大的还原峰, 其中还原温度较低的峰出现在约600 ℃, 而还原温度较高的峰出现在约860 ℃。较低温度的还原峰当归属为非骨架Ni物种, 因为Ni与分子筛之间的作用力较强, 导致非骨架Ni还原温度较高。而约860 ℃的还原峰则归属为骨架Ni物种, 这部分Ni需要较高温度下破坏骨架晶体场的保护才可以被还原。

2.5 SEM

AlPO4-5和NiAlPO4-5分子筛的SEM照片如图5所示。

图5 AlPO4-5和NiAlPO4-5(1)分子筛的SEM照片Figure 5 SEM images of AlPO4-5 and NiAlPO4-5(1) zeolites

由图5可以看出, Ni取代的AlPO4-5分子筛晶粒增大, Ni含量对表面形貌影响不大。

2.6 XPS

不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的Ni2pXPS谱图如图6所示。对比XRF表征结果, 表面Ni与Al物质的量比高于体相的Ni与Al物质的量比, 表明Ni更多表面分散。

图6 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的Ni2pXPS谱图和Ni与Al物质的量比Figure 6 Ni2p XPS spectra of NiAlPO4-5 zeolite with different Ni content and molar ratio of Ni/Al

2.7 N2吸附-脱附和孔结构

NiAlPO4-5分子筛的N2吸附-脱附滞后环和孔径分布曲线如图7所示, 不同Ni含量的NiAlPO4-5分子筛的孔结构如表1所示。

图7 NiAlPO4-5分子筛的N2吸附-脱附滞后环和孔径分布Figure 7 N2adsorption-desorption isotherm and pore diameter distribution

表1 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的孔结构 Table 1 Pore structure ofNiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

由图7和表1可以看出, NiAlPO4-5分子筛比表面积相比AlPO4-5分子筛下降, 最低仅155 m2· g-1, 表明金属离子的加入, 使得合成体系不同程度偏离适宜的凝胶配比, 影响AlPO4-5结构的生成。根据孔径分布可以看出, 加入杂原子的NiAlPO4-5分子筛样品, 在4 nm和(20~50) nm出现两个峰, 其中(20~50) nm的峰位置会随着金属含量增加向更高位置移动, 表明随着金属含量增加, 样品孔径增大。

2.8 NH3-TPD

不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的NH3-TPD曲线如图8所示。

图8 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的NH3-TPD曲线Figure 8 NH3-TPD curves of NiAlPO4-5 zeolite with different Ni content

由图8可以看出, NiAlPO4-5分子筛相比AlPO4-5分子筛在酸量上有所提升。

2.9 TEM

Ni/AlPO4-5和NiAlPO4-5(2)分子筛的TEM照片如图9所示。

图9 NiAlPO4-5(2)和Ni/AlPO4-5分子筛的TEM照片Figure 9 TEM images ofNiAlPO4-5(2) and Ni/AlPO4-5 zeolites

由图9可以看出, NiAlPO4-5(2)分子筛在所用透射电镜的分辨率水准下均没有发现较大颗粒的Ni相存在。而浸渍法制备的Ni/AlPO4-5分子筛可见到Ni氧化物的纳米颗粒, 可能合成的NiAlPO4-5样品中Ni是主要位于分子筛的孔道内部, 高度分散。Ni/AlPO4-5分子筛中的Ni主要分散在分子筛表面, 存在小的聚集。

2.10 二苯并噻吩加氢脱硫评价

不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的二苯并噻吩加氢脱硫评价和负载WO3后催化剂的二苯并噻吩加氢脱硫评价如图10-11所示。

图10 不同Ni含量NiAlPO4-5分子筛的二苯并噻吩加氢脱硫评价
1.AlPO4-5; 2.NiAlPO4-5(1); 3.NiAlPO4-5(2); 4.Ni/AlPO4-5
Figure 10 Activities ofNiAlPO4-5 zeolites with different Ni content in hydrodesulfurization of dibenzolthiophene

由图10可以看出, NiAlPO4-5分子筛二苯并噻吩加氢脱硫率明显高于不含Ni的AlPO4-5分子筛, 表明Ni作为活性相可以促进二苯并噻吩加氢脱硫, 随着镍含量增加, 加氢脱硫活性增加。NiAlPO4-5(2)分子筛具有最高脱硫率, 相比AlPO4-5提高24.4%。负载Ni/AlPO4-5加氢脱硫活性远低于NiAlPO4-5分子筛的加氢脱硫活性, 其活性只是比AlPO4-5分子筛略有提高。

图11 负载WO3后催化剂的二苯并噻吩加氢脱硫评价
1.W/A+AlPO4-5; 2.W/A+NiAlPO4-5(1); 3.W/A+NiAlPO4-5(2); 4.W/A
Figure 11 Activities of WO3catalysts in hydrodesulfurization of dibenzolthiophene

由图11可以看出, 与WO3负载氧化铝的传统加氢催化剂W/A相比, 载体中添加AlPO4-5或者NiAlPO4-5分子筛均提高催化剂的加氢脱硫活性。W/A+NiAlPO4-5催化剂的加氢脱硫转化率高于W/A+AlPO4-5催化剂。杂原子Ni金属本身就是加氢催化剂的有利活性助金属。NiAlPO4-5分子筛或相应催化剂的高加氢脱硫活性可能源于增加的酸性和高的Ni分散。

3 结 论

(1)采用水热合成法合成了NiAlPO4-5分子筛, 得到的NiAlPO4-5分子筛具有AFI结构, 较好的结晶度, 分子筛样品中骨架Ni和非骨架Ni同时存在, Ni的引入导致分子筛表面积略降, 孔径增大; 透射电镜表征没有发现NiAlPO4-5分子筛有较大颗粒的Ni相存在, 表明合成得到的NiAlPO4-5分子筛中Ni是主要位于分子筛孔道内部, 高度分散; NiAlPO4-5分子筛的酸强度高于AlPO4-5分子筛。

(2)NiAlPO4-5分子筛的二苯并噻吩加氢脱硫率明显高于不含Ni的AlPO4-5和浸渍法NiAlPO4-5分子筛样品; 与WO3负载氧化铝的传统加氢处理催化剂(W/A)相比, 引入NiAlPO4-5的催化剂(W/A+ NiAlPO4-5)显示出更高的二苯并噻吩的加氢脱硫活性; NiAlPO4-5分子筛或相应催化剂的高加氢脱硫活性可能源于增加的酸性和高的Ni分散。

The authors have declared that no competing interests exist.

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