[发明专利]制备活化催化金属组件的方法

说明书

提供了将惰性金属组件转变成活性金属催化剂的方法。还提供了使用根据本文所述的方法制备的活性金属催化剂的设备和方法。

技术领域

本申请涉及将惰性金属组件活化为活性催化剂以及使用所述催化剂的设备和方法。

背景技术

金属氧化物和混合金属氧化物催化剂在工业过程中具有广泛的应用。工业应用的非详尽清单包括天然气重整、水煤气变换、氧化链烷烃偶联、链烷烃脱氢为烯烃、链烷烃氧化脱氢为烯烃、甲烷/乙烷脱氢为芳烃、选择性氨氧化为氮氧化物、氨合成、氰化氢生产、甲醇氧化成甲醛、催化燃烧、固体氧化物燃料电池及其组合。

通常，通过将催化金属纳米颗粒或微粒附着到载体材料上形成负载型金属催化剂。催化金属包括过渡金属，例如镍、钒、钯、铂、金、钌、铑、铱、铜、锌、锰、钴、铁、钼、钾、钙和镁。载体材料通常是具有高表面积的固体。常见的载体材料包括各种碳、二氧化钛、氧化锆、氧化镧、氧化铁、氧化铬、氧化铝和二氧化硅。使用两种主要方法来制备负载型催化剂。在浸渍方法中，将固体载体的悬浮液用预催化剂溶液处理，然后在将预催化剂(通常为金属盐)转化为更具活性的状态的条件下活化所得材料，所述更具活性的状态可能是金属本身，但也可以包括氧化物、硫化物、氮化物等。在这种情况下，催化剂载体通常为丸粒形式。或者，可以通过共沉淀由均质溶液制备负载型催化剂。例如，用碱处理铝盐和预催化剂的酸性溶液以使混合的氢氧化物沉淀，随后将其煅烧。

催化剂可以用包括具有各种形状和大小的催化珠或挤出物的填充床的多种不同的几何形状或包括整料、中空纤维等的更多结构化形式来构造。传统上，整料催化剂载体由许多平行的通道组成，这些通道被涂有催化活性物质的薄壁隔开。当前用于天然气重整的整料通常由陶瓷如氧化铝制成，因此是催化惰性的。

由于需要的步骤数量和多种材料，目前生产催化剂的方法效率低下。产生不需要浸渍或涂覆薄催化金属底层的金属催化剂颗粒将是有价值的。同样有价值的是，使用3D打印技术来形成催化剂以开发独特的设计几何形状。例如，在整料结构的情况下，穿过整料的通道不仅可以是圆形、正方形或六边形的，而且可以具有包括但不限于四叶形或三叶形的其它形状，以最大化比表面积和体积热容。还可有利的是通道具有除了笔直穿过整料以外的路径。3D打印整料内的迂回路径和腔室也可以增强所需的特性。

发明内容

提供了催化反应器，制备催化组件的方法和使用所述催化反应器的方法。一方面，提供了一种制备催化金属组件的方法，所述方法包括：构造惰性金属组件；其中所述惰性金属组件通过叠层制造来构造；和将所述惰性金属组件置于循环的氧化和还原环境中处理足够次数的循环以活化所述惰性金属组件。所述金属组件可以包含金属合金，例如超级合金，例如Inconel 718。在某些实施方式中，所述金属组件包含第10族元素，例如镍、铂或钯。所述惰性金属组件可以具有许多几何形状，例如整料、球、珠、丸粒、挤出物、三叶体、四叶体、立方体、环、1-孔、2-孔、3-孔、4-孔、鞍、十字网或丝网。

另一方面，氧化环境包含氧气、二氧化碳、一氧化碳、水、燃烧副产物、过氧化物、臭氧、高锰酸盐、有机酸、卤化物或其组合物中的至少一种。另一方面，还原环境包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、高C数的链烷烃、乙烯、丙烯、丁烯、高C数的烯烃、乙炔、甲基乙炔-丙二烯(MAPD)、氢气、一氧化碳、氢化物、硫化氢或其组合物中的至少一种。循环的次数可以变化以实现活化，例如5至300次循环或20至250次循环。

又一方面，提供了一种反应器，所述反应器包括根据上述方法制备的催化金属组件。在一个具体的实施方式中，催化金属组件具有整料的几何形状；其中所述整料包括多个小室，所述小室具有自其延伸的通道。具有通道的多个小室可以形成正方形、圆形、椭圆形、六边形、三叶形、四叶形或其组合。在另外的方面，具有通道的多个小室包括具有穿过整料的非线性路径的通道。在又一方面，所述整料还包括空隙空间，所述空隙空间中断通道，从而在所述整料内形成腔室。