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过渡金属氮化物具有许多独特的物理和化学性质。其中,钼系氮化物在许多涉氢反应中表现出与贵金属相似的催化性能,作为催化剂或者催化剂载体已引起人们的广泛关注。开展过渡金属氮化物的研究具有重要的理论意义和潜在的应用前景,是催化与材料领域中重要的前沿课题之一。
本文以钼系单金属与双金属氮化物为主要研究对象,分别对其制备方法和催化加氢性能进行了系统研究。首先从络合物分解法入手,采用该方法成功制备非负载型和负载型γ-Mo2N、β-Mo2C、钼的碳氮夹杂化合物催化剂。以(HMT)2(NH4)4Mo7O24(HMT=hexamethylenetetramine,六亚甲基四胺)络合物为前体,在Ar气氛中经550℃~750℃简单焙烧,得到非负载型γ-Mo2N;通过氨水保护形成含有钼酸盐和HMT的均相溶液浸渍载体,以此为前体同前处理可以得到负载型γ-Mo2N催化剂。在NH3气氛中焙烧上述前体,能够降低氮化物的生成温度100℃左右。增加前提中HMT的含量,采用上述络合分解法,在Ar气氛中高温焙烧可以得到非负载型和负载型β-Mo2C催化剂。进一步考察了β-Mo2C的制备机制,发现前体中存在的(HMT)2(NH4)4Mo7O24·2H2O络合物首先分解产生γ-Mo2N,然后,过量的、未络合的HMT在700℃下分解产生热解碳作为碳源,与生成的氮化物发生短线程的碳热反应生成β-Mo2C。基于上述机理,适当改变前体中的HMT的含量,用络合法将部分γ-Mo2N碳化,制备出非负载型和负载型碳氮夹杂化合物催化剂。DBT的HDS反应评价结果表明,负载化的该夹杂催化剂具有高于同样方法制备的负载型β-Mo2C和γ-Mo2N的活性。夹杂化合物催化剂中的两种活性组分β-Mo2C和γ-Mo2N之间虽然没有化合作用和电子转移,但并不是简单的混合,很可能在HDS过程中存在着协同作用。
进一步,研究了双金属NiMo催化剂,设计了Ni-Mo2N复合催化剂,通过制备出负载的Mo2N,将其浸渍Ni盐后还原,制备出不同金属比例的制备负载型Ni-Mo2N复合催化剂。该催化剂的优点是可以方便地改变其中的Ni:Mo的比例。当Mo的比例为10.5wt%时,通过负载不同的Ni:Mo比例催化剂加氧脱芳活性对比发现,随着Ni负载量的增加,活性有了明显的提高;将Ni-Mo2N复合催化剂与传统程序升温氮化过程(TPN)制备负载的Ni2Mo3N和Ni催化剂对比,相同Ni含量负载型的催化剂的活性顺序为Ni2Mo3N>Ni-Mo2N>Ni。
在络合分解法,H2直接分解法成功制备非负载和负载型双金属NiMo催化剂基础上,对比不同方法制备的负载型NiMo催化剂的低温下对甲苯和萘探针溶液的加氢活性,我们发现,单环甲苯的加氢性能方面,Ni2Mo3N(TPN)≈Ni2Mo3N(HMT)>>Ni2Mo3N(H2)>Ni-Mo2N;而在二元环萘的加氢性能方面Ni2Mo3N(H2)>>Ni2Mo3N(TPN)≈Ni2Mo3N(HMT)>Ni-Mo2N,说明H2直接分解法制备的Ni2Mo3N/MCM41催化剂在二元环萘的加氢性能方面与其他三种催化剂相比占有一定的优势。
最后,结合络合分解法,H2直接分解法,通过改变前体中的HMT的含量,用络合法分别在Ar气和H2的条件下制备负载型的NiMo催化剂,并考察了在有硫组分DBT存在下其用于对甲苯、萘的饱和加氢催化性能。结果表明,Ar中制备的系列催化剂具有比H2系列更好的活性。在Ar条件下,600℃保持两个小时,制的的NiMo催化剂主要是Ni和MoO2的混合物,在前体中没有HMT的组份下,会产生少量NiMoO4,此系列催化剂中Ni是主要的加氢活性中心,在反应的过程中在初始时对DBT加氢,产生的H2S而对MoO2起到了部分硫化生成硫化钼,硫化钼起到一定的抗硫作用,从而反应经过24h后均没有呈现出因硫中毒造成的催化剂活性的迅速下降;而在H2气氛下,在600℃制备温度下,不同HMT含量的前体均能制备出Ni2Mo3N。前体中加入HMT的含量,会对催化剂表面或造成颗粒大小产生影响,从而改变催化剂的加氢活性。