[发明专利]一种用于合成氨反应的催化剂

说明书

本发明涉及一种过渡金属氢化物氨合成催化剂，该类催化剂包含过渡金属氢化物和载体，该氨合成催化剂表现出极为优异的催化活性，尤其在低温低压条件下(1bar,低于300℃)。

技术领域

本发明涉及催化剂技术，特别提供了一种用于氨合成的过渡金属氢化物催化剂及其在氨合成反应中的应用，尤其适用于低温常压氨合成。

背景技术

氨是世界上最重要的化工原料之一。氨既可以当成是一种肥料，也是化工上十分重要的中间体。但是就目前来说，工业上氨合成需要在高温高压的条件下实现，使得每年全世界约有1％的能量用于合成氨工业。所以发展温和条件下的高效合成氨催化剂具有非常重要的意义。

铁基和钌基催化剂是重要的工业合成氨催化剂，铁基催化剂作为第一代合成氨催化剂，虽然价格便宜，使用寿命长，但是其合成氨条件较为苛刻，在温和条件下合成氨活性非常差。钌基催化剂在低温低压区(～10MPa,300～400℃)的活性是铁基催化剂的10～20倍，并且适应比较宽的H₂/N₂比。同时碱金属或碱土金属的加入使得钌基催化剂的活性明显提高，其中以Cs和Ba的促进作用最为明显[A.H.F.Rosowski,O.Hinrichsen,D.Herein,M.Muhler,G.Ertl.Applied Catalysis A:General,1997，151：443-460]。但是钌基催化剂氢毒化作用非常明显。

综上所述，铁基和钌基两种工业化合成氨催化剂虽然各有利弊，但是两种催化剂仍不能实现常压低温(～1bar,150～300℃)高效合成氨。我们创新性的采用三元过渡金属氢化物催化剂用于氨合成，并将其负载在载体上以提高分散度，发现在常压低温(～1bar,150～300℃)即可高效合成氨。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型氨合成催化剂配方，该催化剂较传统催化剂具有更好的低温低压活性(1bar，150～300℃)，同时该新型催化剂的活性中心及催化机理不同于传统催化剂，活性中心为三元过渡金属氢化物。

首先制备了三元过渡金属氢化物Li₄RuH₆，为了提高该Li₄RuH₆的分散度，对Li₄RuH₆进行逐渐分散。首先将Li₄RuH₆球磨提高分散度，其次采用Li₄RuH₆与大比表面MgO球磨进一步提高其分散度，再者采用液氨浸渍法将碱金属Li引入到负载型Ru-MgO上更进一步提高其分散度。如图1所示，随着Li₄RuH₆分散度的提高，其活性逐渐增加。同时，如图2所示，上述四种不同分散度的Li₄RuH₆具有相近的活化能，表明将Li₄RuH₆逐渐分散后，其活性中心未发生变化，仍然是Li₄RuH₆。

研究表明，Na、K、Ca、Ba等主族元素的含氢化合物也可与金属Ru形成三元金属氢化物。如图3所示，将这些三元过渡金属氢化物负载在大比表面MgO上，均表现出优异的合成氨催化活性，负载型Ru-Na-MgO与负载型Ru-Ca-MgO活性较为突出，尤其是低温低压活性(1bar，150～300℃)。

本发明中所述催化剂包含过渡金属氢化物及载体，催化剂过渡金属氢化物与载体的质量比的范围为1：0至1：200。

所述的过渡金属氢化物可包括二元过渡金属氢化物、三元过渡金属氢化物或多元过渡金属氢化物中一种或两种以上；所述的三元或多元过渡金属氢化物由ⅠB、ⅡB或Ⅷ族金属元素中的一种或二种以上的组合与主族元素中的一种或二种以上的组合形成。