Ni2P催化剂的制备、表征和加氢脱硫性能研究

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Ni2P是一种高活性的加氢脱硫(HDS)催化剂活性相,但其制备比传统硫化物催化剂更困难。以常用的程序升温还原法(TPR)制备Ni2P/γ-Al2O3催化剂时,一方面磷酸盐前驱体会在高温下与Al2O3载体反应造成磷损失,同时过高的制备温度也会使活性相分散度降低,因此该催化剂的制备具有一定挑战性。本论文采用隔离镍源和次磷酸盐的方法,利用次磷酸盐在较低温度(300 ℃左右)发生歧化反应原位生成的PH3将镍源磷化制备Ni2P/Al2O3催化剂。较低的制备温度可大幅度降低磷物种与Al2O3的相互作用,从而得到较高分散度的Ni2P/Al2O3催化剂。同时,该方法也避免了次磷酸盐歧化的另一产物磷酸盐沉积在催化剂表面导致的堵孔问题。本论文系统考察了不同因素对制备体相Ni2P的影响,包括镍源和次磷酸盐的种类、反应温度、P/Ni比、反应时间、气氛等对产物的影响等。得到了三种优化的制备方法:(1)N2 中 Ni(CH3COO)2 + H3PO2;(2)N2 中 Ni9S8 + NH4H2PO2;(3)10%H2S/H2 中NiO + NH4H2PO2,均在P/Ni=3和300 ℃进行磷化。实验结果确认,在N2中氧化性的镍源由于会消耗更多的PH3,不是理想的镍源;以NiO为镍源时更容易生成Ni(PO32,但把NiO硫化成Ni9S8则可更好地被磷化;Ni(CH3COO)2由于其分解后会产生容易磷化的金属Ni,是理想的镍源。根据产物的X射线衍射(XRD)表征得到了磷化过程中Ni物种的转化机理,其中Ni(CH3COO)2随着P/Ni比升高的物相转化过程为:Ni(Ⅱ)→Ni→Ni12Ps→Ni2P→Ni5P4 →Ni(PO32;Ni9S8 转化过程为:Ni9S8→Ni2P→Ni5P4→Ni(Ⅱ)和 P(V)化合物。研究还发现在10%H2S/H2气氛中,用NiO也可以得到较纯的Ni2P,表明H2S对Ni2P的生成有促进作用,而且Ni2P物相可以在含H2S气氛中稳定存在。论文采用以上三种制备体相Ni2P的优化方法制备了一系列Ni2P/Al2O3催化剂,以二苯并噻吩(DBT)为模型化合物考察了其HDS反应催化活性,并对催化剂的结构进行了表征。实验结果表明,以Ni9S8和NH4H2PO2为前驱体制得的Ni2P/Al2O3催化剂(P/Ni=3、300 ℃)的HDS活性最高,这可能是因为该方法制备的催化剂表面的Ni2P颗粒较小、分散度较高,而且含有少量的硫原子,而Ni-S-P相被认为是Ni2P在HDS反应中的可能活性相。此外,通过两种方法制备了 Ni2P-MoS2/Al2O3催化剂(Ni/Mo=3;P/Ni=3):(1)以Ni(N03)2和(NH46Mo7O24共浸渍Al2O3载体,经过焙烧、硫化和磷化;(2)以Ni(CH3COO)2和(NH4)2MoS4两步法浸渍Al2O3载体,无需焙烧直接磷化。第一种方法得到的Ni2P-MoS2/Al2O3催化剂的DBT转化率最高,相比于单组分的Ni2P/Al2O3有大幅提高(由29.5%增加至89.6%)。原因可能是Ni2P和MoS2物相之间存在协同作用,其具体促进机理需要进一步研究。在次磷酸盐为前驱体制备Ni2P的实验中,NaH2PO2的歧化机理和PH3的产生效率对反应的机理阐释极为重要。本论文通过对NaH2PO2及可能中间产物的差热-热重(TG-DSC)分析,同时结合XRD、31P固体和液体核磁(31PNMR)等表征手段,对前驱物及其在不同分解温度下得到的产物进行表征,结果证实NaH2PO2加热时的反应可以分为三段,并给出了每一步的反应方程式。反应过程中生成PH3的总效率是40%,其中第一步的效率为30%,第二步的效率为8%,第三步中为2%。PH3的释放主要集中在第一步(310-330℃);当P/Ni=3时,得到的PH3/Ni=1.2,在这与磷酸盐TPR法制备Ni2P使用的P/Ni比相当。
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