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  分子催化  2025, Vol. 39 Issue (3): 252-262
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王金鼎, 张金玉, 李天宇, 孙锟, 刘蝈蝈, 张雅静, 王康军. 共沉淀法Ni/Al2O3中镍含量对2-甲基呋喃加氢催化性能的影响[J]. 分子催化, 2025, 39(3): 252-262.
WANG Jinding, ZHANG Jinyu, LI Tianyu, SUN Kun, LIU Guoguo, ZHANG Yajing, WANG Kangjun. Effect of Ni Content in Ni/Al2O3 Catalysts Prepared by Co-precipitation on the Performance of 2-Methylfuran Hydrogenation[J]. Journal of Molecular Catalysis, 2025, 39(3): 252-262.

基金项目

辽宁省自然科学基金联合基金(2024-MSLH-379); 沈阳化工大学达标立项项目(LDB2022001) [Liaoning Provincial Department of Science and Technology Joint Fund (2024-MSLH-379); Shenyang University of Chemical Technology Dabiaolixiang Project (LDB2022001)].

作者简介

王金鼎(1999−), 男, 硕士研究生, 主要从事生物质及其衍生物催化加氢研究, E-mail: wjding7710@163.com

通讯联系人

E-mail: zhangyajing@syuct.edu.cn; angle_79@163.com

文章历史

收稿日期:2025-03-20
修回日期:2025-04-28
共沉淀法Ni/Al2O3中镍含量对2-甲基呋喃加氢催化性能的影响
王金鼎 , 张金玉 , 李天宇 , 孙锟 , 刘蝈蝈 , 张雅静 , 王康军     
沈阳化工大学 化学工程学院, 辽宁 沈阳 110142
摘要:以硝酸镍和硝酸铝为前驱体, 碳酸钠为沉淀剂, 采用共沉淀法制备镍含量分别为5%、10% 、15%和20%的Ni/Al2O3催化剂, 采用固定床反应器评价其2-甲基呋喃(2-MF)气相加氢制2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)的反应性能. 通过N2吸附-脱附、XRD、TEM和H2-TPR对催化剂结构和还原性能进行了表征, 研究了镍含量对催化剂结构的影响规律, 探索了结构与2-MF加氢性能之间的关系. 结果表明, 随着镍含量的增加, 催化剂镍颗粒尺寸逐渐增大, 金属载体相互作用逐渐减弱. 在90 ℃、2 MPa、n(H2/2-MF)=6.4、空速为2.7 h−1的条件下进行2-MF气相加氢反应, 随着镍含量增加, 反应活性位增多, 2-MF的转化率增加, 2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)的选择性逐渐降低, 10%Ni/Al2O3催化剂上2-MTHF的收率最高, 可以达到98.6%. 该催化剂连续运行140 h性能保持稳定, 表现出良好的工业应用前景.
关键词Ni/Al2O3    共沉淀    气相加氢    2-甲基呋喃    2-甲基四氢呋喃    
Effect of Ni Content in Ni/Al2O3 Catalysts Prepared by Co-precipitation on the Performance of 2-Methylfuran Hydrogenation
WANG Jinding , ZHANG Jinyu , LI Tianyu , SUN Kun , LIU Guoguo , ZHANG Yajing , WANG Kangjun     
College of Chemical Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China
Abstract: A series of Ni/Al2O3 catalysts with Ni mass contents of 5%, 10%, 15% and 20% were prepared by co-precipitation method, using nickel nitrate and aluminium nitrate as precursors, and sodium carbonate as precipitation agent. The catalytic performances for hydrogenation of 2-methylfuran (2-MF) to 2-methyltetrahydrofuran (2-MTHF) in vapor-phase were investigated in a fixed-bed reactor. N2 adsorption-desorption, XRD, TEM, and H2-TPR were carried out to characterize the structure and reduction property of the catalysts. The investigation revealed relationships between nickel loading and the structure, as well as the influences of structure on catalytic property. The results revealed that the specific areas decreased, Ni particle size increased and the metal-support interaction weakened with increasing Ni content. Under certain reaction conditions (90 °C, 2 MPa, H2/2-MF molar ratio=6.4, WHSV=2.7 h−1), the conversion of 2-MF increased and the selectivity of 2-MTHF decreased with increasing Ni content, due to the increased number of Ni active sites. 10%Ni/Al2O3 catalyst achieved the highest 2-MTHF yield of 98.6% and exhibited better stability over 140 h. The catalyst showed potential application in industry.
Key words: Ni/Al2O3    co-precipitation    gas phase hydrogenation    2-methylfuran    2-methyltetrahydrofuran    

传统化石能源短缺, 开发可再生生物质能源对构建可持续能源体系具有重要意义[1]. 生物质基能源中呋喃家族燃料, 例如: 2-甲基呋喃(2-MF)和2,5-二甲基呋喃(DMF)来源广泛、成本低, 被视为有前景的第二代生物燃料[2]. 近年来, 2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)凭借其卓越的燃烧性能(高热值、强稳定性及高能量密度)成为新型生物质燃料, 受到广泛的关注. 2-MTHF能提升汽油的辛烷值和燃烧效率, 且与发动机系统适配性良好、不损伤发动机, 是极具潜力的燃料添加剂[3]. 此外, 2-MTHF溶解性好、毒性低、沸点高, 是环境友好型溶剂, 在醚化、氢化、酯化等反应中广泛应用[4]. 目前, 2-MTHF的工业化生产有以贵金属钯和铂为代表的催化剂, 虽然活性和选择性较高, 但其成本高且易失活, 导致2-MTHF价格居高不下. 研发价廉易得的非贵金属催化剂用于生物质催化转化为2-MTHF, 极具吸引力.

2-甲基-1,4丁二醇、内酯、乙酰丙酸等都可以作为生产2-MTHF的原料, 但它们存在原料成本高、反应条件苛刻或者催化成本高等问题, 难以实现大规模工业生产[58]. 生物基糠醛及其下游产物2-MF, 来源广泛、成本低, 以其为原料合成2-MTHF是符合绿色化学概念的理想工艺路线, 成为当前化工领域的研究热点[9]. Chang X等[10]以Cu-Pd双金属为催化剂, 以2-丙醇作为氢供体, 催化糠醛选择性加氢获得了2-MTHF. Fang等[11]设计了双床层催化系统(Cu/SiO2-Pd/SiO2), 实现糠醛一步转化为2-MTHF, 在常压下2-MTHF收率突破97%. Liu 等[12]采用两步装填法, 以Co/Al2O3和Ni/Al2O3为催化剂, 实现糠醛一锅转化为2-MTHF, 糠醛在Co基催化剂上转化为2-MF, 然后2-MF在Ni基催化剂的作用下进一步转化为2-MTHF, 其收率达到87%. 糠醛衍生的2-MF, 呋喃环中C=C进行选择性加氢就可以获得产物2-MTHF. 林涛等[13]以Pd/C、Pt/C和Ru/C等贵金属为催化剂, 在气相条件下, 将2-MF转化为2-MTHF, 收率达99.9%, 但催化成本高, 工业化存在很大挑战. 研究表明, Ni基催化剂对C=C加氢反应存在优异的选择性, 非贵金属Ni储量丰富、成本低, 开发Ni基催化剂能降低生产成本[14]. Ni基催化剂的空间结构与催化性能可以通过制备方法进行有效调控, 常用的有溶胶-凝胶、蒸氨、浸渍及共沉淀法. Xia等[15]发现溶胶凝胶法制备的Ni/SiO2, 相较于浸渍法制备的Ni基催化剂, Ni粒径小且分布也较为均匀. 丁茯等[16]采用凝胶-溶胶法制备了不同Ni负载量的Ni/SiO2催化剂, 研究其对2-MF加氢性能的影响, 结果表明, 在合适的反应条件下25%的Ni负载量可以使2-MF的转化率达到98%, 2-MTHF的选择性可以达到86%, 但催化剂稳定性较差, 10 h就发生了失活. 王英文等[8]通过蒸氨法制备了Ni/SiO2催化剂, 2-MTHF的收率达到了93.5%. 李增杰等[17]通过浸渍法制备了Ni/Al2O3催化剂, 用于2-MF液相加氢, 在3 MPa、150 ℃的温和条件下实现了2-MF的高效转化, 2-MTHF的收率达到了96.5%. 方姿予等[18]以浸渍法制备了Ni/Al2O3催化剂, 应用于2-MF气相反加氢反应, 在更加温和的条件下得到了更高的2-MTHF收率, 2-MTHF的收率达到了97%, 但是催化剂的稳定性仍有欠缺, 在运行40 h之后, 催化剂因Ni聚集和碳沉积发生了失活. 蒸氨法和溶胶-凝胶法制备的Ni催化剂活性高, 但对2-MTHF的选择低, 浸渍法制备的催化剂稳定性较差. 有研究表明, 共沉淀法可以通过改变沉淀剂种类、溶液pH以及沉淀温度等制备参数改变催化剂的空间结构和催化性能, 调控催化剂活性组分分散性以及金属载体间的相互作用, 从而提高催化剂的稳定性[19]. Wang等[20]通过共沉淀法制备了Ni/Al2O3催化剂, 用于乙醇重整制氢反应, 相比于浸渍法制备的催化剂, 游离Ni颗粒较少、金属-载体相互作用更强, 表现出了更高的活性和稳定性. Wang等[21]以碳黑为模板, 通过共沉淀法制备了高比表面积的Ni/MgAl2O4催化剂, 其在CO甲烷化反应中表现出较高的活性和稳定性、显著的抗烧结性和抗积碳能力.

本文采用共沉淀法制备Ni/Al2O3催化剂, 研究了Ni含量对催化剂结构及2-MF气相加氢性能的影响, 考察了反应温度和压力对催化性能的影响规律. 结果表明, 10%Ni/Al2O3催化剂在90 ℃、2 MPa、n(H2/2-MF)=6.4、WHSV=2.7 h−1的反应条件下, 2-MF转化率接近100%, 2-MTHF选择性达到了98.6%, 催化剂稳定运行140 h性能保持不变, 具有良好的工业应用前景.

1 实验部分 1.1 实验试剂及催化剂的制备

硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O, 99%, AR), 硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O, 99%, AR), 碳酸钠(Na2CO3, 99%, AR), 均购自国药控股化学试剂有限公司. Ni/Al2O3催化剂制备方法(以15%Ni/Al2O3为例): 称取5.84 g Ni(NO3)2·6H2O, 31.27 g Al(NO3)3·9H2O加入100 mL去离子水中搅拌、溶解后记为溶液S1. 称取29.15 g Na2CO3加入500 mL去离子水中, 搅拌配置成溶液, 记为溶液S2. 沉淀剂Na2CO3 对金属离子的摩尔比保持在1.1∶1. 在烧杯中加入少量的去离子水, 放入40 ℃水浴锅中, 将溶液S1、S2并流加入到烧杯中搅拌, 控制沉淀溶液pH值始终保持在7左右. 待完全沉淀后, 在40 ℃下搅拌, 老化4 h, 过滤、洗涤至滤液电导率<100 μs·cm−1, 120 ℃干燥12 h, 450 ℃焙烧4 h制得Ni/Al2O3催化剂. 催化剂记作x%Ni/Al2O3(x%代表不同的Ni含量).

1.2 催化剂的表征

通过Autosorb-i Q-C型全自动物理化学吸附仪(美国康塔公司)测试样品的比表面积及孔结构, 测试前样品在真空条件下进行预处理(80、120 ℃处理 30 min, 300 ℃ 处理 3 h), 在液氮条件下进行等温吸附脱附; D8 Advance型X射线多晶衍射分析仪测试催化剂的物相结构, 测试条件: Cu Kα射线 (λ=0.154056 nm), 扫描范围为2θ=10°~90°, 扫描速率为10 (°)·min−1, 加速电压40 kV, 电流40 mA; 采用全自动程序升温化学吸附仪(JW-HX100)(北京精微高博仪器有限公司)进行氢气程序升温还原(H2-TPR)测试, 称取0.04 g催化剂装入U型管中, 通入氩气(30 mL·min−1)升温至400 ℃, 进行吹扫, 保持30 min. 降温至50 ℃, 通入10% H2/N2混合气(30 mL·min−1), 10 ℃·min−1升温至900 ℃, 使用热导检测器(TCD)检测氢气的消耗量; 经过还原后的催化剂粉末通过超声分散在乙醇中, 悬浮液滴在铜网上, 晾干后采用FEI Talos F200x高分辨透射电子显微镜进行观察形貌.

1.3 催化剂活性评价

在固定床连续反应器中, 进行催化剂活性评价. 反应管长度为380 mm, 内径8 mm. 焙烧后的催化剂经破碎、筛分得到0.425~0.850 mm颗粒, 取1 g催化剂置于反应管中心的催化剂托盘中, 并在催化剂上方覆盖4 g石英砂. 在反应前, 通入25% H2/N2(体积比)混合气, 在600 ℃下还原4 h. 还原后, 反应器温度调至所需反应温度, 并通入氢气(流量为80 mL·min−1); 2-MF经高压泵连续注入反应器. 反应后的气相产物依次通过冷凝器、分离器, 最终在分离器出口收集液态产物, 采用气相色谱分析产物组成. 取样间隔为1 h. 反应产物通过气相色谱仪(GC9790Ⅱ, 浙江福立分析仪器有限公司)进行定性和定量分析. 色谱柱为二甲基聚硅氧烷色谱柱(KB-1, 30 m×0.32 mm×0.50 μm), 进样口温度设定为180 ℃, 检测器温度为250 ℃, 色谱柱初始温度为50 ℃, 保持6 min, 然后以10 ℃·min−1的升温速率升至250 ℃. 2-MF的转化率及产物2-MTHF的选择性通过以下公式进行计算:

$ {X}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F}}=\frac{{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F},\mathrm{ }\mathrm{i}\mathrm{n}}-{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F},\mathrm{ }\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F},\mathrm{ }\mathrm{i}\mathrm{n}}}\times 100\text{%} $ (1)
$ {S}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{T}\mathrm{H}\mathrm{F}}=\frac{{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{T}\mathrm{H}\mathrm{F}}}{{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F},\mathrm{ }\mathrm{i}\mathrm{n}}-{n}_{2\text-\mathrm{M}\mathrm{F},\mathrm{ }\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}\times 100\text{%} $ (2)

式中: n2-MF,in为反应前2-MF的摩尔数, n2-MF,out为反应后2-MF的摩尔数, n2-MTHF为产物中2-MTHF的摩尔数.

2 结果与讨论 2.1 催化剂的比表面积及孔结构

图1为Ni/Al2O3催化剂的N2吸附-脱附等温线. 依据等温线数据, 采用BET模型计算比表面积, 采用BJH法计算孔结构参数, 结果见表1. 根据IUPAC分类, 一系列Ni/Al2O3催化剂的等温线均表现出Ⅳ型等温线特征, 带有H1型迟滞环, 表明催化剂具有介孔结构, 孔形状为均匀的圆柱形孔[22]. 随着催化剂中Ni含量的变化, 等温线上迟滞环的位置发生了变化. 5%Ni/Al2O3催化剂的迟滞环相对压力p/p0在0.9~1.0, 表明其介孔孔径比较大. 当Ni含量增大(10%, 15%, 20%)时, 迟滞环出现在相对压力p/p0较低的位置(0.6~0.8), 表明介孔的孔径变小. 另外, 随着Ni含量的增加, 催化剂的比表面积显著下降, 20%Ni/Al2O3催化剂比表面积相比于5%Ni/Al2O3催化剂下降了21.7%. 催化剂的孔容减少了约50%, 这可能是由于活性组分在催化剂孔道中的聚集所导致, 负载量越大, 聚集得越多, 所以孔径降低. 较大的比表面积能够促进活性组分Ni在载体上分散, 提高催化剂的活性. 介孔孔道尺寸和均匀的圆柱形孔有利于反应物和产物分子有效扩散, 减少副产物的生成, 从而提升2-MTHF的催化选择性[23].

图 1 催化剂N2吸附-脱附等温线 Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms of catalysts
表 1 催化剂的比表面积、孔容和平均孔径 Table 1 The specific surface area, pore volume, and average pore size of the catalysts
2.2 催化剂的物相结构

焙烧和还原后催化剂的XRD图谱见图2. 焙烧后催化剂均为γ-Al2O3负载的NiO, 物相包括Al2O3和NiO. 在图2(a) 中, 衍射角2θ=19.3°、31.9°、37.5°、39.3°、45.7°、56.7°、60.5°、66.6°处, 观察到与γ-Al2O3 (PDF#50-0741)不同晶面对应的衍射峰相匹配. 在2θ=37.3°、43.4°、63.2°、75.6°、79.6°处出现的衍射峰则归属于NiO (PDF#73-1519). 随着催化剂中Ni含量的增加, NiO的衍射峰强度逐渐由宽泛变得尖锐, 说明NiO结晶度增强. 在图2(b)中, 2θ=44.5°、51.8°、76.4°处观察到的衍射峰分别对应于Ni (PDF#04-0850)的(111)、(200)、(220)晶面, 表明催化剂经过600 ℃高温氢氮混合气还原处理后, 催化剂中的NiO组分被还原为金属Ni. 值得注意的是, 经过还原处理后催化剂的XRD谱图中仍然存在NiO的衍射峰, 表明催化剂中的NiO并未完全还原为金属Ni[24]. 对于还原后的5%Ni/Al2O3催化剂, 在2θ=44.5°、51.8°处并未明显观察到Ni的衍射峰, 可能是金属Ni数量少且高度分散于载体表面. Li 等[25]发现在450 ℃下焙烧Ni/γ-Al2O3会产生NiAl2O4相. NiAl2O4相的衍射峰位置几乎和γ-Al2O3相同, 很难从XRD衍射峰位置判断是否存在NiAl2O4相, 但主要衍射峰的相对强度可以用来区别这两个相[26]. γ-Al2O3 (PDF#50-0741)和NiAl2O4 (PDF#73-0239)在37.5°和44.5°的衍射峰强度比分别为0.65和1.94, 催化剂中这两个衍射峰强度在1.12~1.20之间, 比γ-Al2O3的比值高, 表明存在NiAl2O4[27].

图 2 催化剂(a)焙烧后和(b)还原后XRD谱图 Fig.2 XRD spectra of the catalysts after (a) calcination and (b) reduction
2.3 催化剂的微观结构

还原后催化剂的透射电镜(TEM)图像、Ni粒径尺寸分布如图3所示. 结果表明, 催化剂在600 ℃以25%的H2/N2混合气还原处理4 h后, 不同Ni含量的Ni/Al2O3催化剂上金属Ni颗粒分布均匀, 未见显著聚集现象. 颗粒尺寸分布图显示(图3(b, e, h, k)), Ni颗粒会随着Ni含量的升高而逐渐增大, 催化剂5%Ni/Al2O3、10%Ni/Al2O3、15%Ni/Al2O3和20%Ni/Al2O3的Ni颗粒平均粒径分别为3.4、4.5、5.5和6.5 nm. Bukhari等[28]发现Ni/F-SBA-15中, 随着Ni负载量的增大, 催化剂中Ni颗粒会形成较大团簇, 导致Ni粒径增大. Ni颗粒的粒径在很大程度上决定了催化剂的活性, 是影响催化剂性能的关键因素之一. 催化剂的比表面积与金属粒径的分布密切相关, 高比表面积的载体能够为活性金属组分提供更大的负载空间, 从而提高活性组分的分散度, 分散度越好, Ni的粒径也会越小[29]. 此外, 当Ni含量为5%时, 可以观察到较多层状结构的氧化铝, 见图3(a). 当Ni负载量达到10%, 氧化铝的形貌发生变化, 层状结构开始变少, 见图3(d). 当Ni负载量达到15%、20%时, 几乎已经观察不到层状结构的氧化铝(如图3(g, j)). 层状氧化铝载体结构能与Ni组分之间形成较强的金属-载体相互作用, 这种相互作用能够显著提升催化剂的活性和稳定性[30]. HRTEM图像中(图3(c, f, i, l))观察到的晶格条纹间距为0.203 nm, 与Ni (111)晶面间距一致(fcc, PDF#04-0850), 证实了NiO已经被还原为Ni.

图 3 还原后催化剂的TEM图像和粒径分布统计图 Fig.3 TEM images of catalysts after reduction and size distribution (a, b, c) 5%Ni/Al2O3; (d, e, f) 10%Ni/Al2O3; (g, h, i) 15%Ni/Al2O3; (j, k, l) 20%Ni/Al2O3
2.4 催化剂的还原性能

Ni/Al2O3催化剂的H2-TPR结果如图4所示. H2-TPR结果反映了催化剂在氢气气氛下的还原温度和氢气消耗情况, 还原温度高低反映了催化剂金属-载体相互作用强度的差异. H2-TPR曲线上出现了三个不同的还原峰, 对应着三种Ni物种的还原. 400 ℃以下的还原峰归属于Al2O3表面游离态NiO的还原, 因其与氧化铝载体之间的金属-载体相互作用较弱, 最易还原; 500~600 ℃范围内的还原峰则对应于与Al2O3载体具有较强相互作用的NiO组分的还原; 而700 ℃以上出现的还原峰可能和Ni与Al2O3形成的部分NiAl2O4的还原过程有关. 随着NiO含量的增加, 还原温度逐渐向低温方向移动. 5%Ni/Al2O3、10%Ni/Al2O3催化剂在600~800 ℃之间的高温还原峰较为明显, 表明NiO颗粒与Al2O3载体之间的金属-载体相互作用比较强, 还原需要克服较高的能垒. 随着NiO的负载量进一步增大到15%Ni/Al2O3, 主还原峰温度开始向低温移动, 并逐渐宽化. 当负载量达到20%时, 催化剂的主还原峰温度在650 ℃左右. 可能是因为催化剂中NiO粒径增大, 体积效应促进了金属-载体相互作用相对较弱的NiO形成, 降低了还原能垒和所需的还原温度[31]. 一般来说, 随着催化剂负载量的增大, 需要更高的还原温度来处理更多的活性金属用于反应. 本研究中呈现出了低Ni含量高还原温度的反常规律, 可能是因为低Ni含量下Al2O3呈现出的层状载体结构以及较小的体积效应使载体与金属Ni之间的相互作用变强导致的. 这也说明了在选择性加氢的反应中提高催化活性, 不能仅追求高的活性金属Ni含量, 更需要充分考虑活性组分的体积效应和金属-载体相互作用之间的竞争关系, 两者的动态平衡机制直接影响了催化剂的反应活性.

图 4 催化剂H2-TPR图 Fig.4 H2-TPR profiles of catalysts
2.5 催化剂性能评价

不同Ni/Al2O3催化剂对于2-MF气相加氢合成2-MTHF反应催化性能结果见图5, 具体数值总结于表2中. 在2 MPa, 90 ℃的反应条件下, 5%Ni/Al2O3催化剂活性较低且失活较快, 仅仅反应7 h, 2-MF的转化率就由99.3%下降到了95.2%. 随着Ni含量增加, 催化剂的活性和稳定性均提高, 这是因为提高Ni含量增加了反应活性位的数量[32]. 2-MTHF选择性随着Ni负载量的增加而减小, 5%Ni/Al2O3催化剂上2-MTHF选择性为99.3%, 而20%Ni/Al2O3催化剂2-MTHF选择性为97.7%, 见图5(b). 较高Ni含量的催化剂活性高, 但2-MTHF的选择性较低, 这是因为过高Ni负载量会使2-MF发生除C=C加氢外的反应: C—C键或者C—O键的断裂等, 从而引发聚合或者过度加氢反应, 生成副产物2-戊醇(2-PL)、2-戊酮(2-PN)、戊醇(1-PL) 等, 同时不同分子之间还可能发生缩合或者聚合反应, 也会降低主产物2-MTHF的选择性[12,33]. 在一定的反应条件下(2 MPa, 90 ℃), 10%Ni/Al2O3催化剂上2-MTHF的收率最高, 达到了98.5%. 反应温度对Ni/Al2O3催化剂上2-MF加氢性能影响较大: 70 ℃时, 2-MF转化率会随着反应时间的增长发生明显的下降, 如图5(c) 所示, 随着反应温度的升高, 催化剂的催化活性明显增强并保持稳定. 过高的反应温度使得2-MTHF的选择性出现了不同程度的降低, 当反应温度达到90 ℃的时候, 2-MF的转化率以及2-MTHF的选择性均比较高并保持稳定. 反应温度为200 ℃时, 2-MTHF的选择性仅有54.3%, 而副产物2-PL的选择性增加到31.9%. 2-PL是2-MTHF分子呋喃环上中C5−O1断裂、加氢生成的副产物, 而1-PL是2-MTHF分子中C2−O1断裂、加氢生成的副产物[34], 见图6. 在反应温度为70~200 ℃范围内, 2-PL的选择性随着反应温度增加迅速上升, 而1-PL的选择性变化不大, 说明升高温度会促进C5−O1断裂. 方姿予[18]在关于Ni/γ-Al2O3催化剂的研究也提到了反应温度会使C5−O1加速断裂进而生成2-PL. 此外, 在相同温度、空速下考察了不同反应压力下10%Ni/Al2O3催化剂对2-MF加氢性能的影响, 结果见图5(e、f). 当压力低于1.5 MPa时, 10%Ni/Al2O3催化剂很快出现了失活现象, 反应3 h之后转化率急剧下降. 随着反应压力的升高, 2-MF的转化率和2-MTHF的选择性均发生了明显的提升, 2.0 MPa反应时, 2-MTHF的选择性随着反应时间的增加, 由97.3%持续升高至98.6%以上并保持稳定. 过高的反应压力却使得2-MTHF的选择性下降, 如图5(f)所示, 当压力达到2.5 MPa时, 2-MTHF的选择性始终在97.1%左右, 压力升高副产物2-PL的选择性也逐渐上升. 该反应是放热反应, 压力的升高提高了催化加氢反应速率, 反应放热后床层温度迅速升高, 温度的增高使得C5−O1键断裂加速, 从而降低了2-MTHF的选择性[35].

图 5 催化剂的反应性能 Fig.5 Performance of the catalysts Reaction conditions: n(H2/2-MF)=6.4, WHSV=2.7 h−1, 1 g catalyst; (a, b) 90 ℃, 2 MPa; (c, d) 2 MPa; (e, f) 90 ℃
表 2 2-MF加氢产物分布 Table 2 Distribution of 2-MF hydrogenation products over catalysts
图 6 2-MF加氢生成2-MTHF的反应路径示意图 Fig.6 Schematic diagram of the reaction pathway of 2-MF hydrogenation to 2-MTHF

综上所述, 对催化加氢反应[3639], 过高或过低的反应温度和压力对10%Ni/Al2O3催化剂在催化2-MF加氢反应中的表现均存在不利的影响. 当反应条件为2 MPa和90 ℃时, 2-MF的转化率以及2-MTHF的选择性均达到最佳水平, 2-MF转化率达到99.9%以上, 2-MTHF选择性达到了98.6%.

2.6 催化剂稳定性

图7为5%和10%镍负载量的Ni/Al2O3催化剂在相同反应条件下的稳定性测试结果. 5%Ni/ Al2O3在27 h内出现了明显的失活现象, 2-MF转化率由初始99.9%逐渐下降至84.9%. 相比之下, 10%Ni/Al2O3展现出良好的稳定性, 连续反应140 h, 2-MF转化率始终维持99.9%以上, 稳定性能良好. 采用TEM表征了5%Ni/Al2O3、10%Ni/Al2O3催化剂反应后的形貌结构并进行了粒径分析, 见图8. 5%Ni/Al2O3催化剂经27 h反应后, Ni颗粒平均粒径由初始3.4 nm增长至10.4 nm, 增幅超过两倍, 呈现出典型的金属Ni聚集现象. 10%Ni/Al2O3催化剂经过140 h连续运行, 催化剂中金属Ni粒径未发生明显增大. 这说明当催化剂中Ni金属活性位点密度不足时, 催化性能会出现明显的下降趋势. 金属Ni颗粒的迁移-团聚过程, 也致使镍颗粒平均尺寸变大, 进一步降低催化剂的活性.

图 7 催化剂稳定性测试 Fig.7 Results of catalyst stability (a) 5%Ni/Al2O3, (b) 10%Ni/Al2O3 ; WHSV=2.7 h−1, n(H2/2-MF)=6.4, 90 ℃, 2 MPa
图 8 使用后催化剂的TEM图像以及粒径统计 Fig.8 TEM images and Ni particles size distribution of used catalysts (a, b) 5%Ni/Al2O3; (c, d) 10%Ni/Al2O3
3 结论

采用共沉淀法制备了不同Ni含量的Ni/Al2O3催化剂, 用于2-MF气相催化加氢反应制备2-MTHF. 随着Ni含量的增加, 催化剂的Ni晶粒尺寸逐渐增加, 金属-载体相互作用逐渐变弱. 10%Ni/Al2O3催化剂因均匀分散的Ni颗粒、较小的Ni粒径、较强的金属-载体相互作用表现出优异的反应活性和稳定性, 催化剂连续稳定运行140 h保持性能不变. 较低的Ni含量(5%)因活性位不足导致催化剂活性低, 会快速失活, 使用后催化剂中Ni颗粒会发生明显的聚集. 过高的Ni含量(20%)活性位点过多, 则会导致反应时副反应增加, 降低主产物2-MTHF选择性. 反应温度或压力过高会加速2-MTHF中C5−O1键断裂, 副产物2-PL选择性上升. 本研究为开发高效稳定的2-MF加氢非贵金属Ni基催化剂提供了良好的基础.

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