氨合成钌基催化剂的研究进展

近年来,钌基氨合成催化剂因其高活性、高稳定性和反应条件温和成为研究热点。综述国内外氨合成钌基催化剂的研究进展,重点介绍钌基催化剂载体、助剂和前驱体对氨合成反应性能的影响。石墨化程度高、导电性能良好的碳载体或氧化物与碳的复合载体是氨合成反应的良好载体;碱金属和碱土金属类助剂通过改变活性金属表面静电场,起到电子助剂的作用,并且碱土金属对反应的促进作用优于碱金属,稀土金属Sm能够抑制碳载体的甲烷化反应;与Ru Cl3相比,Ru3(CO)12是氨合成反应的理想前驱体。简介以电子化合物为载体的钌基氨合成体系,负载钌的高比表面积电子化合物C12A7:e-是强大的电子供体,能够提高氮气在钌上的解离程度,并能可逆地储存氢,有效抑制氢吸附对钌表面的毒害,从而大大提高氨合成反应活性。进一步开发温和条件下非贵金属高效氨合成催化剂将具有重要的理论和现实意义。     

浅析新型合成氨催化剂的还原

介绍了氨合成催化剂的创新和发展、A301型和ZA-5型Fe1-xO基氨合成催化剂的性能特点及新型低温低压高活性氨合成催化剂的选择原则。以A301型催化剂为例,详细讨论了新型氨合成催化剂的升温还原方法。     

新型氨合成催化剂的选用和还原

介绍了氨合成催化剂的创新和发展、A301型和ZA-5型Fe1-xO基氨合成催化剂的性能特点及新型低温低压高活性氨合成催化剂的选择原则。以A301型催化剂为例,详细讨论了新型氨合成催化剂的升温还原方法。     

新型稀土氨合成催化剂的研制,生产和使用总结

本成果是以少量的稀土氧化物(CeO_2)作为助催化剂,并优化了现有熔铁系氨合成催化剂的配方及制备工艺,研究开发成功一种新型稀土氨合成催化剂。实验室测试及工业生产使用结果表明,使用该催化剂可使氨净值及氨产量提高10%以上;在显著提高低温活性的同时,解决了国内外低温高活性型氨合成催化剂普遍存在的抗毒性和耐热性差的难题。     

钌基氨合成催化剂作用机理及氧化物负载钌催化体系研究

介绍了钌基氨合成催化剂的最新研究进展,结合密度泛函理论计算综述了钌基氨合成催化剂的作用机理,包括钌表面对氮分子的吸附活化以及钌基氨合成催化剂上的氨合成反应动力学模型方面的研究成果。对氧化物载体的制备方法、修饰和复合手段、助剂种类及其在催化反应中的作用机理等进行了总结,探讨了钌基氨合成催化剂理论研究以及氧化物催化剂体系目前存在的问题。     

圆柱状成形Ru/AC氨合成催化剂制备及性能

将水洗处理的椰壳活性炭研磨至小于0.08 mm，加入粘合剂挤压成长度3～10 mm、3～5 mm的圆柱形,颗粒经120 ℃烘干、1 900 ℃高温处理和400 ℃经氧、氮等混合气处理后，作为Ru/AC催化剂载体。其侧压强度从无定形的40 N·cm^－1提高到成形后的91 N·cm^－1，磨耗率从无定形的5%左右降低到成形后的0.05%。以成形椰壳炭为载体的Ru/AC催化剂的活性与无定形活性炭为载体时相当，具有在低温、低压、低氢氮比和原料气高氨含量下高活性的特点，且具有很好的耐热性。与无定形椰壳炭相比，以成形椰壳炭为载体制备的Ru/AC氨合成催化剂更适合工业氨合成装置使用。     

新型氨合成催化剂通过鉴定

5月25日，由中德合资辽宁盘锦南方化学辽河催化剂有限公司和浙江工业大学共同研制的新型氨合成催化剂——Amomax-10型氧化型、Amomax-10H型预还原型氨合成催化剂在沈阳通过专家技术鉴定。目前这两种催化剂已经完成了全过程工业化生产。该新型亚铁基氨合成催化剂突破了国际上沿袭了70多年的传统熔铁催化剂的四氧化三铁基体系，在原A301基础上有了实质创新性改进，形成新的专利。新型亚铁基氨合成催化剂氧化型和预还原型产品具有极易还原、催化活性高、低温低压下的高活性和良好的热稳定性，压力与温区宽及抗毒与耐热性能优良、机械强度高等特点。实际应用表明：新型氨合成催化剂完全达到了设计要求，起活温度低，还原时间短。可降低床层阻力，解决了氧化亚铁基催化剂极易还原与大型氨厂还原设施不足的矛盾，节能效果十分明显。     

新型氨合成催化剂实现工业化应用

我国独创的具有国际领先水平的新型氨合成催化剂——Amomax-10型氧化型、Amomax-10H型预还原型氨合成催化剂于2006年5月底在沈阳通过技术鉴定。这种新型亚铁基氨合成催化剂突破了国际上沿袭了70多年的传统熔铁催化剂的四氧化三铁基体系，在原A301基础上有了实质创新性改进，形成新的专利。该催化剂的氧化型和预还原型产品具有极易还原、催化活性高、低温低压下的高活性和良好的热稳定性，     

活性炭负载钌基氨合成催化剂的制备

利用浸渍法制备了活性炭负载钌基氨合成催化剂,讨论了影响钌分散度与氨合成催化活性的若干因素. 研究发现,若活性炭载体具有较大的比表面和较好的孔结构将有利于活性组分的分散. 同时,在浸渍之前,样品需在100～200 ℃干燥6～8 h. 催化剂各组分浸渍后对载体的表面结构影响不同,实验发现,Ba的添加可能为Ru的分散提供了合适的表面,而K主要填充于载体中孔并和Ru充分接触,并为Ru提供电子.同时要控制母体钌水溶液的pH值,并选用合适的浸渍顺序,方能达到较好的效果.     

氨分解制氢催化剂研究进展

随着环保法规日趋严格,清洁氢能的生产和应用引起关注,氨分解制氢是其中重要途径之一。综述Ru、Ni和Fe等氨分解催化剂的研究进展,Ru催化剂具有较高的催化活性,但由于资源有限和价格昂贵等因素使其在工业应用方面受到限制。以Fe和Ni为代表的非贵金属催化剂资源丰富,价格低廉,氨分解反应转化率高,具有潜在的工业应用前景。我国独创的新一代Fe_(1-x)O基新型熔铁催化剂是目前世界上活性最高的氨合成催化剂,根据微观可逆性原理,新型熔铁催化剂也是氨分解反应活性最好的制氢催化剂。     

钌基氨合成催化剂研究进展

钌基催化剂被称为继铁基催化剂之后第二代氨合成催化剂。文中介绍了钌基氨合成催化剂的载体、钌的母体化合物和促进剂的研究进展以及在钌基催化剂上氨合成反应动力学。     

氨合成催化剂的进展

Fe_1－xO催化剂体系和钌催化剂的发现,标志着合成氨催化剂的研究取得了重大进展。Fe_1－xO催化剂体系的发明,使氨合成催化剂的活性有了一个飞跃性的进步,为熔铁催化剂的发展注入了生机。钌催化剂的发明则有可能成为真正突破经历了近一个世纪的铁催化剂的使用历史。由于钌的稀有和昂贵,要在工业上广泛应用,还需要做大量的研究。     

沉淀剂对Ru/MgO-CeO2氨合成催化剂催化性能的影响

以K<,2>RuO<,4>为钌前驱体,通过共沉淀法制备了Ru/MgO-CeO<,2>氨合成催化剂.考察了5种不同沉淀剂对Ru/MgO-CeO<,2>催化剂的结构和性能的影响,并运用X射线衍射(XRD)、CO吸附、N<,2>物理吸附和H<,2>程序升温还原(H<,2>-TPR)等技术对催化剂进行了表征,讨论了沉淀剂对氨合...     

混合法制备铁钌复合催化剂的研究

以维氏体铁催化剂为载体,以十二羰基三钌为钌的前驱体,采用固相混合法制备系列铁钌复合催化剂,考察十二羰基三钌的分解温度、热分解气氛以及钌负载量对催化剂活性的影响。采用扫描电子显微镜和热重分析等考察催化剂的表面性质与催化活性关系。结果表明,采用固相混合法得到的铁钌复合催化剂用于氨合成反应活性得到提高,在氮气气氛中,十二羰基三钌分解温度为120℃,钌负载质量分数为0.6%时,催化剂活性较好。     

氨合成铁、钌催化剂联用工艺

在实验室和工业侧线装置上考察了FA-Ru型氨合成钌催化剂与铁系A202型催化剂的性能差异，以及铁催化剂和钌催化剂联用工艺与单铁催化剂工艺对氨合成效果的影响。结果表明，FA-Ru催化剂在低温（375～425℃）、低压（10～15 MPa）、低氢氮比（R=1.5～2.3）和合成气高氨浓度（10%～16 %，体积分数）条件下，活性比A202催化剂相对提高44%～75%。铁催化剂与钌催化剂混装工艺的氨合成率随着钌催化剂装量的增加而增加，比单铁催化剂的氨合成率提高24.5%～44.8%。铁催化剂串钌催化剂工艺的氨合成率同样随着钌催化剂装量的增加而增加，比单铁催化剂的氨合成率提高27.7%～58.8%。对于铁、钌催化剂联用的氨合成工艺，在实验条件下，当钌催化剂用量达铁催化剂用量1/2以上时，催化剂的最高活性点温度降至400℃。工业侧线实验表明，FA-Ru催化剂在13.0 MPa、10000～15000 h-1条件下的氨合成率可达到铁催化剂在相同空速、26 MPa 压力下的水平。根据不同工况，铁催化剂串钌催化剂生产工艺比单铁催化剂生产工艺氨合成率可相对提高43%～56%。     

合成氨催化技术与工艺进展

Fe1-xO催化剂体系的发明,使合成氨催化剂的活性有了飞跃性进步。采用Fe1-xO基A301催化剂可实现低压合成氨工艺,其合成回路吨氨能耗可降低1.30GJ。钌催化剂的发明则有可能成为真正突破经历了近一个世纪的铁催化剂。以钌催化剂为基础的KAAP工艺开发成功,每吨氨的生产成本可降低2.2～6.6美元,节能1.20GJ。由于钌的稀有和昂贵,在可以预见的时间内,钌催化剂不可能立即取代铁催化剂。采用超临界技术有可能实现非平衡限制氮加氢技术的设想。     

超临界氨合成

Ammonia synthesis at supercritical conditions was first studied over iron and active carbonsupported ruthenium catalysts in a fixed-bed reactor. The influences of 15 kinds of different supercritical media, such as alkanes of C7-C13, 1, 2, 3, 4-tetrahydronaphthalene, cis-decalin, o-xylene,ethylbenzene, quinolin, n-hexane and aniline etc. and reaction conditions (catalyst, temperature, space velocity, particial pressure of media) on ammonia at supercritical condition were investigated.Supercritical medium was decomposed under reaction conditions over Fe and Ru/AC catalysts. The decomposition products deactivated the catalysts. Alkane decomposed the least, and the rate of deactivation was the slowest. Therefore alklane was a relatively good medium. The decomposion of supercritical medium was the key for the deactivation of catalysts. Another important reason for the decrease of ammonia concentration was that the effective pressure of syngas decreased because of the presence of supercritical media. The active temperature of catalyst was the decisive factor in supercritical ammonia synthesis. Supercritical catalytic reaction was viable only at a lower temperature. Ammonia ynthesis at supercritical conditions is possible if a catalyst with active temperature lower than 573 K could e developed and the decomposition of supercritical media could be prevented.     

焙烧气氛对Ba-Ru/MgO催化剂氨合成性能的影响

采用浸渍法制备Ba-Ru/MgO系列催化剂，考察不同焙烧气氛对Ba-Ru/MgO催化剂氨合成性能的影响，通过X射线衍射、N₂-低温物理吸附、透射电镜、H₂程序升温还原、CO₂程序升温脱附和红外光谱等方法对其进行表征，考察焙烧气氛对负载型钌基氨合成催化剂的物相结构、织构性能、微观形貌、钌物种的还原性能和体系酸碱性能等影响。研究表明，MgO焙烧气氛对制备的钌基氨合成催化剂结构、物化性能以及氨合成活性有较大影响，不同气氛焙烧对Ba-Ru/MgO催化剂碱性强弱影响顺序：Ba-Ru/MgO(Ar)＞Ba-Ru/MgO(N₂)＞Ba-Ru/MgO(空气)＞Ba-Ru/MgO (真空)，在450 ℃、5.0 MPa和5 000 h^-1条件下，空气、Ar和N₂气氛焙烧的MgO制备的Ba-Ru/MgO催化剂活性高于真空气氛焙烧的MgO制备的催化剂。     

活性炭载体对钌催化剂制备及其活性的影响

选择 5 种活性炭作为载体制备负载型钌催化剂，采用元素分析、物理吸附和化学吸附等表征手段，考察活性炭载体的化学组成和表面结构对钌催化剂金属分散状况的影响。以不同活性炭为载体制备了一系列钡助催钌催化剂，并在450 ℃、10.0 MPa条件下进行氨合成活性评价。研究结果表明，活性炭载体的原材料及其制备工艺决定了载体的化学组成和表面结构，以具有高纯度、较大比表面积、较大比孔容和适当孔结构分布的活性炭为载体制备的钌催化剂具有较高的氨合成催化活性。