[发明专利]纳米碳负载原子级分散铜基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米碳负载原子级分散铜基催化剂及其制备方法和应用，属于乙炔选择性加氢反应应用催化剂技术领域。所述原子级分散铜基催化剂在混合原料气中将乙炔加氢生成乙烯，催化剂的使用温度为100℃‑200℃；通过将铜以原子级分散在纳米碳材料上，与传统钯基碳材料和商业钯催化剂相比，本发明纳米碳负载原子级分散铜基催化剂可以有效催化乙炔转化为乙烯，乙炔加氢选择性明显提高。而且该催化剂价格低廉，稳定性能好，在反应过程中不易失活。

技术领域

本发明涉及乙炔加氢反应催化剂技术领域，具体涉及一种纳米碳负载原子级分散铜基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

乙烯(C₂H₂)作为合成塑料、纤维、橡胶等的一种基础化工原料，具有十分重要的工业应用价值。然而，由石油裂解得到的乙烯产品中通常含有少量的乙炔，乙炔的存在降低了下游聚合物产品生产的质量，同时还会毒害下游聚合反应的催化剂。因此，将乙烯原料中少量乙炔选择性加氢制备乙烯在精细化工和聚合物工业生产过程中具有十分重要的意义。

工业反应中应用最广泛的传统乙炔选择性加氢催化剂是贵金属钯基Lindlar催化剂。Lindlar催化剂选用贵金属钯为活性金属组分，价格昂贵。同时Lindlar中含有硫和铅成分，会随着产品流失到环境中，对环境造成污染。

因此，本发明尝试利用纳米碳材料为载体，研发新的适用于乙炔选择性加氢反应的无毒害、非贵金属催化剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米碳负载原子级分散铜基催化剂及其制备方法和应用，所制备的纳米碳负载原子级分散铜基催化剂在乙炔加氢反应过程中具有较好的选择性和稳定性。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种纳米碳负载原子级分散铜基纳米催化剂，该催化剂以铜为活性材料，纳米碳为载体，铜以原子级形式分散在纳米碳材料载体上。

所述纳米碳材料载体为核壳结构，纳米金刚石为核，石墨烯材料为壳层；铜以原子形式均匀分散在石墨烯壳层表面，并与石墨烯缺陷上的碳原子成键。

该催化剂中，铜的负载量为0.25～0.5wt.％。

所述纳米碳材料载体是以纳米金刚石为原料，经过高温处理后获得；所述高温处理具体过程为：将纳米金刚石置于管式加热炉中，在惰性气氛和900～1100℃条件下焙烧4h-6h，即获得纳米碳材料载体。纳米碳载体丰富的表面缺陷，有利于活性金属铜的分散和稳定。

所述纳米碳负载原子级分散铜基催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备纳米碳材料载体；

(2)采用沉积沉淀法，将铜沉积到纳米碳材料载体上，得到纳米碳负载铜基催化剂前驱物；

(3)将所述纳米碳负载铜基催化剂前驱物置于石英管中，在氢气和氦气的混合气中进行还原处理后，即得到所述纳米碳负载原子级分散铜基催化剂。

上述步骤(2)中，所述沉积沉淀法的过程为：在100mL圆底烧瓶中加入20-40mL水，放入200mg纳米碳载体，超声分散均匀，然后用碳酸钠溶液调节pH值到11-12，得到纳米碳载体分散液；然后配制硝酸铜溶液，并根据催化剂中铜的负载量计算硝酸铜溶液的用量，将硝酸铜溶液加入到纳米碳载体分散液中；最后在油浴锅中80-100℃条件下保温搅拌1-2小时，然后降温至室温，经抽滤和洗涤后获得纳米碳负载铜基催化剂前驱物。

上述步骤(3)还原处理的过程中，所述氢气和氦气的混合气中，氢气体积分数为10％，混合气的流速50mL/min；还原处理温度为200～300℃，还原时间为1小时；还原处理后在50mL/min氦气气氛中降到室温。

将所述纳米碳负载原子级分散铜基催化剂作为乙炔加氢反应的催化剂，在混合原料气中催化乙炔加氢生成乙烯。