芒草活性炭负载钯纳米催化剂的制备及其用于乙炔选择性加氢过程的研究

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作为富含有机碳的原料之一,中国芒草(miscanthus sinensis)是生产许多高价值材料和化学物质的理想候选者。在本文中,研究了生物质废物的应用,以替代昂贵的由煤生产活性炭的方法,并将活性炭通过负载金属Pd制备成催化剂来催化乙炔选择性加氢反应。本文以获得具有高催化性能的生物质基金属催化剂为目标,研究催化剂的催化性能以及催化机理。主要开展的研究如下:(1)以蔗渣及中国芒草为底物探究了底物种类、炭化温度、活化温度、活化剂与固体炭的剂料比对活性炭结构、性质的影响。最终,以中国芒草为底物,在500℃下炭化1 h,然后以氢氧化钾/固体炭剂料比为3:1使剂料混合,最后在800℃下活化1 h,制得了比表面积为2516 m2/g、平均孔径为2.50 nm的活性炭。(2)利用芒草活性炭制备了不同负载量的钯碳催化剂,应用于乙炔加氢反应中过程中。主要研究催化效果与负载量、载体性质、反应的温度、反应的空速之间的关系。首先就催化剂前驱体的负载量对催化性能的影响做了研究,发现负载量为0.25%时催化剂的活性及选择性较高,乙炔转化率可达99.9%,乙烯选择性可达99.9%。通过原位漫反射傅立叶变换红外光谱对催化剂进行表征来研究催化剂载体对催化性能的影响,结果表明芒草活性炭载体对乙炔的吸附存在典型的π键吸收,即对乙炔具有良好的吸附作用,从而使催化剂具有高催化活性,使得转化率高达99.9%;同时表明芒草活性炭载体对产物乙烯具有良好的脱附作用,从而使催化剂对乙烯具有高达99.9%的选择性。通过对反应温度对催化性能的影响做了研究,发现升高温度有利于反应物分子的活化,温度大于260℃很容易发生过度氢化,从而降低了乙烯的选择性。同时,探索了反应空速对催化性能影响的研究,结果发现随着空速的增加,乙烯的解吸加速,导致乙烯的选择性不断提高。当空速大于90000 h-1时,气体在Pd活性位点上的停留时间过短,从而导致乙烯的选择性降低。对催化剂进行了多种表征,证明了钯碳催化剂具有出色的结构,解释了催化性能高的原因。在100 h催化剂使用寿命的测试中,乙炔转化率高达99.9%,乙烯选择性高达93.07±2.14%,且没有明显下降趋势,证明了催化剂具有卓越的稳定性及较长的催化寿命。
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