有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及加氢催化剂的制备技术领域，具体涉及一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂、制备方法及其应用。

背景技术

能源是人类文明的基石，人类文明的发展与能源结构的转型密切相关。为了实现双碳目标，在火力发电逐渐被清洁的新型发电方式取代过程中需要有更好的下游储存电能的手段。氢的燃烧热值高，在燃烧后仅有水生成，是一种清洁可再生的物质。若以氢作为清洁发电的下游储能介质，不仅符合清洁低碳的要求，而且产生的氢气还可以用于工业、交通等其它领域实现低碳化。

然而，储氢技术一直是氢能应用发展的瓶颈。现阶段已商用的储氢方式主要有高压气态储氢和低温液化储氢，这两种储氢方式都有较为明显的劣势：储存设备造价高昂，使用环境和条件苛刻，使用过程中氢损失多，安全系数低，事故危险性大，大范围推广基础设施建造昂贵，且配送运输困难。

有机液体储氢技术在此背景下作为一种新型储氢技术被提出，它借助含有不饱和键的有机液体储氢载体与氢气的可逆加脱氢反应实现氢气的储存，它可以沿用现有化石燃料输送和使用的基建基础，具有储存方便、使用安全、供应链建设成本低等优点。

现有技术中有关储氢用催化剂的研究报道主要有：

申请号202210114516.3公开了一种储氢用有机液体材料、催化储氢体系及储氢方法，有机液体材料由储氢原料A和储氢原料B组成，其中储氢原料A为苄基甲苯、二苄基甲苯中的一种或两种，且二苄基甲苯的质量含量不超过80％，储氢原料B为萘、1-甲基萘、2-甲基萘中的一种或多种。催化储氢体系包括储氢用有机液体材料和储氢反应催化剂，储氢反应催化剂为负载型金属催化剂，包含催化剂载体和催化剂活性金属组分。该催化剂主要是针对选择的储氢用有机液体材料而匹配设计的。

在对有机液态储氢领域的研究中科研工作者发现氮杂环芳烃，具有加脱氢反应过程温度低，理论储氢密度大，副反应少等优点。相比于其他芳烃具有明显的优势。目前，针对氮杂环芳烃有机液体储氢载体的研究和应用中，不同的催化剂在140～200℃温度范围内、5～10MPa的压力范围内具有良好的加氢性能，可以获得接近100％的底物转化率，选择性在50％～95％的范围内差异较大。

但是目前报道的氮杂环芳烃加脱氢过程中存在脱氢反应温度高，不易进行等一系列问题，难以满足应用中的实际需求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂的制备方法，其可在不降低转化率的情况下使得加氢产物选择性改变，产生更多动力学有利脱氢反应进行的加氢产物，具有加氢反应速度快、反应物转化率高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂的制备方法，依次包括以下步骤：

a、制备载体

向锆盐中加入一定量的溶剂使其充分溶解；

向溶解所得混合液中加入尿素固体，超声搅拌使其充分溶解，得凝胶；

将所述的凝胶置于管式炉中，在不同气体的气氛下进行煅烧处理，得载体；

b、浸渍

将所述的载体研磨成粉末状态，加入水中分散，得载体分散液；

向所述的载体分散液中加入含有钌的盐溶液，搅拌浸渍，得含有前驱体的催化剂；

c、还原，干燥

将所述的含有前驱体的催化剂依次经还原处理、干燥后，即得。

作为本发明的一个优选方案，所述的锆盐为四氯化锆、硝酸锆或硅酸锆。

上述的锆盐优选为四氯化锆。

作为本发明的另一个优选方案，一定量的溶剂为无水乙醇，锆盐在无水乙醇中的的浓度≦0.5g/100mL。

进一步的，锆盐与尿素的物质的量之比为1:4。

进一步的，不同气体是指分别在氮气、氩气、氨气或空气中的一种或多种，在管式炉中以2～10℃/min的升温速率下升至600～800℃进行煅烧处理。

进一步的，载体在水中的分散浓度≦1g/mL。

进一步的，含有钌的盐溶液为三氯化钌、氯钌酸钾或氯钌酸钠，载体分散液中加入含有钌的盐溶液搅拌浸渍2～16h。

进一步的，选用硼氢化钠冰水溶液对含有前驱体的催化剂进行还原。

本发明的另一目的在于提供一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂，其采用上述的有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂的制备方法制备得到，加氢催化剂为粉体或预制成型的特定形态，加氢催化剂中，包括质量百分比为3～5％的活性金属组分钌。

上述的特定形态如块状、颗粒状或本领域常采用的其它形状。

本发明的再一目的在于提供有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂在有机液体储氢载体加氢反应中的应用，所述的加氢反应包括间歇反应和连续反应，反应条件为：反应压力5～8MPa，温度100～200℃。

本发明有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂的制备原理如下：

在催化剂中Ru除了作为NEC反应的活性中心外，它更多的起到活化H

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明提出了一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂的制备方法，其首先采用锆盐、溶剂以及尿素制备得到凝胶，将该凝胶在管式炉中进行煅烧，得到载体，然后将该载体与含有钌的盐溶液混合搅拌浸渍，得含有前驱体的催化剂；最后经过对含有前驱体的催化剂还原、干燥后，得到加氢催化剂。通过本发明方法制备得到的加氢催化剂，加氢反应速度快，在短时间内就能基本完成加氢过程，在15分钟的间歇加氢反应中可以实现反应物99％及以上的转化率。

(2)钌基氮化物催化剂在基本不改变产物转化率的条件下，反应产物中顺式结构的产物更多，这一结果在动力学上有利于脱氢反应的吸附过程，有利于脱氢反应过程的进行。

(3)本发明方法制备得到的催化剂相比于活性炭载体的催化剂具有更高的机械强度，且在反应后活性组分没有出现明显的团聚，具有较好的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1中(a)为本发明实施例1制备得到的加氢催化剂的TEM图，图1中(b)为本发明实施例1制备得到的加氢催化剂进行加氢反应后的TEM图；

图2为本发明实施例1制备得到的加氢催化剂的XRD图；

图3为本发明实施例1制备得到的加氢催化剂的XPS图谱；

图4为本发明实施例1制备得到的加氢活性图；

图5中(a)和(b)分别为实施例1和对比例1反应15min加氢产物气相色谱图。

具体实施方式

本发明提出了一种有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂、制备方法及其应用，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明所需原料均可通过商业渠道购买获得。

本发明中所述及的锆盐，四氯化锆、硝酸锆或硅酸锆。

本发明中所述及的含有钌的盐溶液指三氯化钌、氯钌酸钾或氯钌酸钠。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

本发明，有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂其原料组分及用量如下：

四氯化锆、水合三氯化钌、无水乙醇、硼氢化钠、尿素、N-乙基咔唑、氨气、氢气及水；其中：四氯化锆与无水乙醇的质量比为1∶1；四氯化锆与尿素的物质的量之比为1:4；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法为：

第一步、将四氯化锆分散在无水乙醇中，超声20分钟后搅拌1小时，再加入尿素，搅拌12小时得到无色澄清玻璃凝胶。将其置于管式炉中先通100mL/min氩气30min置换空气，然后在100mL/min氨气气氛下、以8℃/min的升温速度升至800℃，维持3小时后取出得到黄色固体——氮氧化锆，研磨成粉；

第二步、将1g氮氧化锆分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为99％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为89％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为54％，实现储氢量为5.40wt％。

实施例2：

本发明，有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂其原料组分及用量如下：

四氯化锆、水合三氯化钌、无水乙醇、硼氢化钠、尿素、N-乙基咔唑、氨气、氢气及水；其中：四氯化锆与无水乙醇的质量比为1∶1；四氯化锆与尿素的物质的量之比为1:4；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法为：

第一步、将四氯化锆分散在无水乙醇中，超声20分钟后搅拌1小时，再加入尿素，搅拌12小时得到无色澄清玻璃凝胶。将其置于管式炉中在100mL/min空气气氛下、以8℃/min的升温速度升至800℃，维持3小时后取出得到白色粉末——氧化锆，研磨成粉。

第二步、将1g氧化锆分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为98％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为71％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为53％，实现储氢量为5.14wt％。

实施例3：

本发明，有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂其原料组分及用量如下：

四氯化锆、水合三氯化钌、无水乙醇、硼氢化钠、尿素、N-乙基咔唑、氨气、氢气及水；其中：四氯化锆与无水乙醇的质量比为1∶1；四氯化锆与尿素的物质的量之比为1:4；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法为：

第一步、将四氯化锆分散在无水乙醇中，超声20分钟后搅拌1小时，再加入尿素，搅拌12小时得到无色澄清玻璃凝胶。将其置于管式炉中先通100mL/min氩气30min置换空气，然后在100mL/min氮气气氛下、以8℃/min的升温速度升至800℃，维持3小时后取出得到黄色固体——氮化锆，研磨成粉。

第二步、将1g氮化锆分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到所述加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为99％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为65％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为54％，实现储氢量为5.07wt％。

实施例4：

本发明，有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂其原料组分及用量如下：

硝酸锆、水合三氯化钌、无水乙醇、硼氢化钠、尿素、N-乙基咔唑、氨气、氢气及水；其中：硝酸锆与无水乙醇的质量比为1∶1；硝酸锆与尿素的物质的量之比为1:4；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法为：

第一步、将硝酸锆分散在无水乙醇中，超声20分钟后搅拌1小时，再加入尿素，搅拌12小时得到无色澄清玻璃凝胶。将其置于管式炉中先通100mL/min氩气30min置换空气，然后在100mL/min氨气气氛下、以8℃/min的升温速度升至800℃，维持3小时后取出得到黄色固体——氮氧化锆，研磨成粉；

第二步、将1g氮氧化锆分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为99％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为83％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为55％，实现储氢量为5.31wt％。

实施例5：

与实施例1不同之处在于：锆盐选择为硅酸锆。

本发明，有机杂环液体储氢载体的加氢催化剂其原料组分及用量如下：

硅酸锆、水合三氯化钌、无水乙醇、硼氢化钠、尿素、N-乙基咔唑、氨气、氢气及水；其中：硅酸锆与无水乙醇的质量比为1∶1；硅酸锆与尿素的物质的量之比为1:4；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法为：

第一步、将硅酸锆分散在无水乙醇中，超声20分钟后搅拌1小时，再加入尿素，搅拌12小时得到无色澄清玻璃凝胶。将其置于管式炉中先通100mL/min氩气30min置换空气，然后在100mL/min氨气气氛下、以8℃/min的升温速度升至800℃，维持3小时后取出得到黄色固体——氮氧化锆，研磨成粉；

第二步、将1g氮氧化锆分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为97％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为75％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为61％，实现储氢量为5.23wt％。

含有钌的钌溶液还可以选择为氯钌酸钾或氯钌酸钠，在上述实施例1-实施例3的指引下，本领域技术人员可显而易见的实现。

对比例1：

加氢催化剂制备方法，其原料组分及用量如下：

活性炭、水合三氯化钌、硼氢化钠、N-乙基咔唑、氢气及水；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法包括：

将1g活性炭分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为100％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为75％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为17％，实现储氢量为5.30wt％。

对比例2：

加氢催化剂制备方法，其原料组分及用量如下：

氧化铝、水合三氯化钌、硼氢化钠、N-乙基咔唑、氢气及水；硼氢化钠用冰水制成1g/100mL的溶液。

制备方法包括：

第一步、将1g氧化铝分散于30mL去离子水中，搅拌2小时，得到分散均匀的悬浊液。将一定量的三氯化钌加入悬浊液中，搅拌12小时，得到预处理液。将10mL硼氢化钠溶液滴加到预处理液中进行还原，再搅拌反应2小时。最后在高速离心机中分离、干燥后得到加氢催化剂。

对该催化剂在8MPa、150℃下进行N-乙基咔唑间歇式加氢反应，反应15min后N-乙基咔唑的转化率为100％，全加氢产物十二氢-N-乙基咔唑的选择性为83％，十二氢-N-乙基咔唑顺式产物选择性为13％，实现储氢量为5.35wt％。

上述实施例1-实施例3是对本发明的示意性说明，并非限定。本领域技术人员在上述实施例1-3的指引下，还可得到锆盐为硝酸锆、钌盐为钌氯酸钾等组合方式，均在本发明的保护范围之内。

上述实施例1-实施例3制备得到的加氢催化剂的形态，除了粉末状态，还可以制作为特定形态，如通过模具将其制成块状、颗粒状等，若制备成块状，其制作方法包括：压缩成型和挤条成型；若制备成颗粒状只需将块状催化剂破碎、筛分即可得到。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。