Настоящее изобретение относится к области нанесенных на углеродные материалы платиновых катализаторов, представляющих интерес для процессов органического синтеза, получения электрокатализаторов, например, для топливных элементов, и более точно к катализаторам Pt/C для синтеза гидроксиламина восстановлением NO водородом.
Гидроксиламин широко используется в производстве капролактама и ряда других ценных химических продуктов. Процесс получения гидроксиламина основан на гидрировании оксида азота в кислой среде в присутствии катализатора Pt/C [1]
Основные методы приготовления платиновых катализаторов на углеродных носителях описаны в [2] При использовании в качестве носителя активного угля с развитой удельной поверхностью катализаторы готовят адсорбцией платины из водного раствора платинахлористоводородной кислоты с последующим восстановлением платины до металла [3] Другой метод приготовления катализатора заключается в нанесении платины на графит или сажу из коллоидного раствора, получаемого из платинахлористоводородной кислоты в присутствии дитионита натрия с последующим восстановлением муравьиной кислотой [4]
Процесс получения гидроксиламина протекает в сильно агрессивной среде, содержащей окись азота в серной кислоте [3] что вызывает окислительную коррозию углеродного носителя и рекристаллизацию платины, приводящую к дезактивации катализатора. Регенерацию катализатора синтеза гидроксиламина обычно проводят путем растворения платины в царской водке и повторным ее осаждением на носитель. При этом также под действием азотной кислоты и окислов азота происходит разрушение углеродного носителя.
Известен катализатор [4] используемый в качестве электродов для топливных элементов, содержащий 15% Pt на саже VULKAN XC-72, имеющей средний размер частиц 30 нм, межплоскостное расстояние d002 0,36 нм, размер микрокристаллитов по направлению "a" La 2,2 нм и по направлению "с" Lc 1,8 нм. Недостатком при использовании этого катализатора в синтезе гидроксиламина является сложность отделения высокодисперсных частиц катализатора от продуктов реакции.
Известен катализатор синтеза гидроксиламина, включающий 1,2-11,3% (вес) Pt на активированном угле [3] Недостатком этого катализатора является его низкая эффективность, обусловленная его дезактивацией в агрессивных условиях процесса синтеза гидроксиламина, а также сложность регенерации катализатора из-за разрушения углеродного носителя. Низкая коррозионная устойчивость платиновых катализаторов на активных углях обусловлена значительным количеством структурных дефектов носителя, что проявляется в низком значении истинной плотности, малых размерах микрокристаллов углерода и увеличенном межплоскостном расстоянии d002 по сравнению с графитом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является катализатор, содержащий металлическую платину на порошкообразном электрографите [5] имеющий объем пор < 0,01 см3/г, размер частиц 1-100 мкм, истинную плотность 2,2 г/см3 и структурные характеристики d002 0,338 нм, La > 100 нм, Lc > 100 нм. Существенным недостатком этого катализатора является невысокая активность в гидрировании оксида азота до гидроксиламина. Графит имеет хорошо окристаллизованную структуру, его поверхность образована преимущественно базальными гранями, устойчивыми к действию окислительных агентов. Однако слабое взаимодействие частиц платины с химически инертной поверхностью базальных граней является причиной миграции платины по поверхности, укрупнения нанесенных частиц платины и, в конечном счете, снижения активности катализатора.
Задачей предлагаемого изобретения является создание катализатора синтеза гидрокиламина гидрированием оксида азота, обладающего повышенной активностью и устойчивостью к окислительной коррозии.
Поставленная задача достигается тем, что катализатор синтеза гидроксиламина представляет собой дисперсную металлическую платину, нанесенную на поверхность графитоподобного материала с истинной плотностью 1,8-2,1 г/см3 и объемом пор 0,2-1 см3/г, в котором слои углерода упакованы в кристаллиты, ориентированные в пространстве в виде граней многогранника, и имеют межплоскостное расстояние d002 0,340-0,350 нм, средний размер кристаллита по направлению "а" La 3-18 нм, средний размер кристаллита по направлению "с" Lc 3-14 нм.
Отличительными признаками по сравнению с известными катализаторами Pt/C являются структурные характеристики предлагаемого катализатора: истинная плотность носителя 1,8-2,1 г/см3, объем пор 0,2-1 см3/г, упаковка слоев углерода в кристаллиты и их ориентация в виде граней многогранника, межплоскостное расстояние d002 0,340-0,350 нм, средний размер кристаллитов по направлению "а" La 3-18 нм, средний размер кристаллитов по направлению "с" Lс 3-14 нм.
Катализатор готовят осаждением металлической платины на новый пористый углеродный материал, имеющий указанные выше структурные характеристики.
Выбор указанных структурных параметров обеспечивает высокую активность и устойчивость катализатора в процессе синтеза гидроксиламина гидрированием оксида азота.
Ниже приведены примеры, иллюстрирующие свойства известных и предлагаемых катализаторов.
Характеристики известных катализаторов даны в примерах 1 и 2.
Пример 1 (для сравнения). Приготовление катализатора. В стеклянный реактор загружают 1 г углеродного носителя и 20 мл дистиллированной воды. К полученной суспензии добавляют смесь следующих растворов: 0,64 мл Н2PtCl6 (0,04 моль/литр), 5 мл дистиллированной воды, 0,075 мл Na2CO3 (1 моль/литр), 0,65 мл NaOAc (1 моль/литр), 0,2 мл Na2S2O4 (0,02 моль/литр) и 0,5 мл СН2O (10% водный раствор). Полученную смесь выдерживают при перемешивании 3 часа и температуре 65oC. Катализатор промывают на фильтре и сушат на воздухе при 100-110oC в течение 5 часов.
В качестве носителя используют активированный древесный уголь. Полученный по примеру 1 катализатор имеет следующий состав и структурные характеристики: содержание платины 0,5 вес. остальное углеродный носитель; углеродный носитель рентгеноаморфный и имеет истинную плотность 1,78 г/см3 и объем пор 0,82 см3/г.
Испытание катализатора. В реактор объемом 100 мл с термостатированной рубашкой, снабженный магнитной мешалкой, загружают 80 мл 19% раствора серной кислоты и навеску катализатора Pt/C (0,1 г). Устанавливают температуру в реакторе 40oС, реактор продувают водородом и затем смесью Н2:NO в мольном отношении 3: 2. Реактор закрывают, включают магнитную мешалку и с помощью измерительной бюретки определяют скорость поглощения газовой смеси. Активность катализатора составляет 14,6 моль NO/г-ат Pt x мин.
Определение устойчивости катализатора к окислительной коррозии. В стеклянный термостатированный реактор, снабженный магнитной мешалкой, загружают 10 мл 63% HNO3 и 1 г катализатора. Смесь нагревают до 90oС и выдерживают 1 час. С помощью бюретки определяют объем углекислого газа, образовавшегося при окислении углеродного носителя. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 1, рассчитанная по формуле (100% x масса окисленного углерода/масса исходного катализатора) составляет 4,8%
Пример 2 (прототип). Аналогичен примеру 1 с тем отличием, что в качестве носителя используют порошкообразный электрографит. Приготовленный катализатор имеет следующие структурные характеристики: d002 0,338 нм, La > 100 нм, Lc >100 нм, истинная плотность 2,2 г/см3, объем пор < 0,01 см3/г. Активность катализатора составляет 18,3 моль NO/г-ат Pt x мин. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 2 составляет 0,062%
Характеристики предлагаемых катализаторов даны в примерах 3-6.
Пример 3. Приготовление катализатора. В стеклянный реактор загружают 1 г углеродного носителя и 20 мл дистиллированной воды. К полученной суспензии добавляют смесь следующих растворов: 0,64 мл. Н2PtCl6 (0,04 моль/литр), 5 мл дистиллированной воды, 0,075 мл Na2CO3 (1 моль/литр), 0,65 мл NaOAc (1 моль/литр), 0,2 мл Na2S2O4 (0,02 моль/литр) и 0,5 мл СН2O (10% водный раствор). Полученную смесь выдерживают при перемешивании 3 часа и температуре 65oC. Катализатор промывают на фильтре и сушат на воздухе при 100-110oС в течение 5 часов.
В качестве носителя используют новый пористый углеродный материал, в котором слои углерода упакованы в кристаллиты, ориентированные в пространстве в виде граней многогранника. Приготовленный катализатор имеет следующий состав: содержание платины 0,5 вес. остальное углеродный носитель. Структурные характеристики приготовленного катализатора: d002 0,350 нм, La 3 нм, Lc 3 нм, истинная плотность 1,8 г/см3, объем пор 1 см3/г.
Испытание катализатора. В реактор объемом 100 мл с термостатированной рубашкой, снабженный магнитной мешалкой, загружают 80 мл 19% раствора серной кислоты и навеску катализатора Pt/C (0,1 г). Устанавливают температуру в реакторе 40oC, реактор продувают водородом и затем смесью Н2:NO в мольном отношении 3: 2. Реактор закрывают, включают магнитную мешалку и с помощью измерительной бюретки определяют скорость поглощения газовой смеси. Активность катализатора по примеру 3 составляет 26,4 моль NO/г•ат Pt x мин.
Определение устойчивости катализатора к окислительной коррозии. В стеклянный термостатированный реактор, снабженный магнитной мешалкой, загружают 10 мл 63% HNO3 и 1 г катализатора. Смесь нагревают до 90oС и выдерживают 1 час. С помощью бюретки определяют объем углекислого газа, образовавшегося при окислении углеродного носителя. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 3, рассчитанная по формуле (100% x масса окисленного углерода/масса исходного катализатора), составляет 0,3%
Пример 4. Аналогичен примеру 3 с тем отличием, что носитель имеет следующие структурные характеристики: d002 0,349 нм, La 4 нм, Lc 3,5 нм, истинная плотность 2,05 г/см3, объем пор 0,93 см3/г. Активность катализатора составляет 28,6 моль NO/г-ат Pt x мин. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 4 составляет 0,1%
Пример 5. Аналогичен примеру 3 с тем отличием, что носитель имеет следующие структурные характеристики: d002 0,344 нм, La 11 нм, Lc 12 нм, истинная плотность 2,08 г/см3, объем пор 0,65 см3/г. Активность катализатора составляет 31,3 моль NO/г-ат Pt x мин. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 5 составляет 0,1%
Пример 6. Аналогичен примеру 3 с тем отличием, что носитель имеет следующие структурные характеристики: d002 0,340 нм, La 18 нм, Lc 14 нм, истинная плотность 2,1 г/см3, объем пор 0,2 см3/г. Активность катализатора составляет 21,7 моль NO/г-ат Pt x мин. Величина окислительной коррозии катализатора по примеру 6 составляет 0,1%
Характеристики катализаторов, полученных по примерам 1-6, представлены в таблице.
Таким образом, представленные выше результаты показывают, что заявляемый катализатор по структурным характеристикам принципиально отличается от известных катализаторов Pt/C и является высокоактивным и устойчивым к окислительной коррозии в процессе гидрирования оксида азота в гидроксиламин. ТТТ1
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПОРИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ | 1992 |
|
RU2008969C1 |
ПОРИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ | 1995 |
|
RU2087188C1 |
СПОСОБ ДИСПРОПОРЦИОНИРОВАНИЯ КАНИФОЛИ И СМОЛЯНЫХ КИСЛОТ | 1993 |
|
RU2081143C1 |
ПОРИСТЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ | 1991 |
|
RU2036718C1 |
СПОСОБ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ДЕГАЛОГЕНИРОВАНИЯ ГАЛОИДАРОМАТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ | 1994 |
|
RU2088560C1 |
КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ, СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ОЧИСТКИ ТЕРЕФТАЛЕВОЙ КИСЛОТЫ | 1999 |
|
RU2146172C1 |
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МОНО- И БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАТАЛИЗАТОРА И ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ КИСЛОРОДА И/ИЛИ ВОДОРОДА | 2006 |
|
RU2316394C1 |
КАТАЛИЗАТОР, СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗОМЕРИЗАЦИИ ОЛЕФИНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТОГО КАТАЛИЗАТОРА | 2004 |
|
RU2250802C1 |
ПОРИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ | 1996 |
|
RU2103056C1 |
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАНА (ВАРИАНТЫ) | 1997 |
|
RU2135441C1 |
Изобретение относится к области нанесенных на углеродные материалы платиновых катализаторов, представляющих интерес для процессов органического синтеза, получения электрокатализаторов, например, для топливных элементов, и более точно к катализаторам Pt/C для синтеза гидроксиламина восстановлением NO водородом. Задачей предлагаемого изобретения является создание катализатора синтеза гидроксиламина гидрированием оксида азота, обладающего повышенной активностью и устойчивостью к окислительной коррозии. Поставленная задача достигается тем, что катализатор синтеза гидроксиламина представляет собой дисперсную металлическую платину, нанесенную на поверхность графитоподобного материала с истинной плотностью 1,8-2,1 г/см3 и объемом пор 0,2-1 см3/г, в котором слои углерода упакованы в кристаллиты, ориентированные в пространстве в виде граней многогранника, и имеют межплоскостное расстояние d002 = 0,340-0,350 нм, средний размер кристаллита по направлению "а" La = 3-18 нм, средний размер кристаллита по направлению "с" Lc = 3-14 нм. 1табл.
Катализатор для синтеза гидроксиламина гидрированием оксида азота, содержащий дисперсную металлическую платину на углеродном графитоподобном носителе, образованном плоскими слоями углерода, отличающийся тем, что катализатор содержит носитель с истинной плотностью 1,8 2,1 г/см3 и объемом пор 0,2 1,0 см3/г, углеродные слои в котором упакованы в кристаллиты, ориентированные в пространстве в виде граней многогранника и имеющие межплоскостное расстояние d002 0,340 0,350 нм, средний размер кристаллита по направлению а Lа 4,0 18 нм, по направлению с - Lc 3,5 14,0 нм.
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Rylander P.M | |||
Catalytic hydrogenation over platinum metals | |||
Academic Press, N-Y-L, 1967, p.160 | |||
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов | 1917 |
|
SU2A1 |
Richart D., Gallerot R., "Prep | |||
Catal., 4: Sci | |||
Bases Prep | |||
Heterogeneous Catal.", Pros 4-th Int | |||
Symp., Louvainla Nenve, Sept | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Amsterdam | |||
e.a., 1987, p.71 - 76 | |||
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Polizzi S., Benedetti A., Tagherazzi G., Goatin C., Talamini G., Toniolo L | |||
Hydroxylamine production via hydrogenation of nitric oxide in agueous sulfuric acid catalyzed by carbon supported platinum | |||
I | |||
of Catalysis, 1987, 106, p | |||
Прибор для штрихования | 1923 |
|
SU494A1 |
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды | 1921 |
|
SU4A1 |
Патент США N 4136059, кл | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
Способ получения гидроксиламинсульфата | 1987 |
|
SU1495289A1 |
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Авторы
Даты
1996-08-20—Публикация
1994-07-18—Подача