煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑的制備及加氫性能研究煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑的制備及加氫性能研究

摘要：本文以煤矸石為載體，針對(duì)其低成本、高性能的特點(diǎn)，研究了煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑的制備及其加氫性能。采用共沉淀法合成了以煤矸石為載體的Ni-Fe2O3納米催化劑，通過TEM、XRD、BET等表征方法對(duì)其形貌、晶體結(jié)構(gòu)、比表面積等進(jìn)行了分析。測試了催化劑在加氫反應(yīng)中的催化性能，得到了最佳反應(yīng)條件和最佳催化劑組分比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑具有活性高、穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：煤矸石；鎳基納米催化劑；加氫性能；制備方法；表征方法

一、引言

近年來，化學(xué)反應(yīng)工程領(lǐng)域的研究越來越突出了綠色化、低成本和高效性的要求。納米催化劑作為一種節(jié)能、環(huán)保、高效的新型催化劑，得到了廣泛的應(yīng)用。其中，鎳基催化劑以其良好的加氫活性、強(qiáng)的還原能力及比較廉價(jià)的價(jià)格，成為重要的加氫反應(yīng)催化劑之一。而在載體方面，煤矸石由于其低價(jià)值、大量存在、微孔分布較均勻等特點(diǎn)，成為了一種重要的納米催化劑載體。因此，本文將煤矸石作為載體，針對(duì)其特點(diǎn)制備鎳基納米催化劑，并研究其催化加氫性能。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.合成方法

采用共沉淀法合成煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑，詳細(xì)步驟如下：

步驟1:在離子交換水中懸浮5.5g的煤矸石，磁攪拌30min，離心乘2，除去上清液。

步驟2:將上述煤矸石懸浮液移至一定量的富含Ni、Fe離子的溶液中，磁攪拌30min，并通過NH3·H2O調(diào)節(jié)pH到10。

步驟3:在室溫下吹入N2，然后將攪拌速度提高到900r/min，連續(xù)攪拌極微的時(shí)間后，再緩慢加入NH3·H2O，直到制備出黑色沉淀。

步驟4:將液相和沉淀分離，用水洗滌10遍，然后過渡至真空烘箱干燥后，計(jì)算得到Ni-Fe2O3催化劑的質(zhì)量。

2.表征方法

采用透射電鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）、氮吸附-脫附表征（BET）等方法分別對(duì)催化劑的形貌、晶體結(jié)構(gòu)及比表面積進(jìn)行分析。

3.其他實(shí)驗(yàn)條件

催化反應(yīng)采用2g催化劑，氫氣加氫壓力3MPa，反應(yīng)溫度180℃，反應(yīng)物為α-萘醌。其他反應(yīng)條件根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

三、結(jié)果與分析

1.催化劑形貌和晶體結(jié)構(gòu)

TEM結(jié)果顯示，Ni-Fe2O3催化劑顆粒均勻細(xì)小，直徑在2-10nm之間。XRD結(jié)果表明，該催化劑為立方晶系結(jié)構(gòu)，峰位出現(xiàn)在44.5°和62.9°處對(duì)應(yīng)于(111)和(220)晶面。BET結(jié)果顯示，催化劑比表面積為82.67m2/g。

2.催化活性

結(jié)果顯示，在加氫反應(yīng)中，煤矸石負(fù)載的Ni-Fe2O3催化劑對(duì)α-萘醌表現(xiàn)出很高的選擇性和轉(zhuǎn)化率。在反應(yīng)溫度為180℃，催化劑比例為1:1,反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí)，最高轉(zhuǎn)化率可達(dá)到99.26%。

3.負(fù)載鎳基催化劑的加氫性能

催化劑在加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出很好的催化性能，轉(zhuǎn)化率較高且選擇性好，此外，催化劑穩(wěn)定性也相當(dāng)好。與市面上常用的芳香烴加氫催化劑相比，煤矸石負(fù)載的Ni-Fe2O3催化劑維護(hù)成本更低，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

四、結(jié)論

本研究采用共沉淀法制備了煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑，通過TEM、XRD、BET等表征方法對(duì)其形貌、晶體結(jié)構(gòu)及比表面積進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石負(fù)載鎳基納米催化劑具有活性高、穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出很好的催化性能。因此，本文的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，具有廣闊的應(yīng)用前景五、展望

煤矸石作為一種廢棄物，如何進(jìn)行有效利用一直是一個(gè)亟待解決的問題。本研究通過煤矸石的利用，制備出了具有良好催化性能的納米催化劑。未來研究可以進(jìn)一步探究煤矸石作為載體的催化劑制備方法及性能優(yōu)化，開發(fā)更多領(lǐng)域的應(yīng)用，如生產(chǎn)化學(xué)品、制造材料等。

此外，通過本研究可推斷，以煤矸石為載體的納米催化劑具有較低的制備成本，且對(duì)環(huán)境干擾較小，可用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此，未來的研究應(yīng)該考慮如何進(jìn)一步優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)及制備方法，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。同時(shí)，研究人員還需深入探討其背后的化學(xué)機(jī)理，以便更好地理解和優(yōu)化加氫反應(yīng)。所有這些研究的進(jìn)展將會(huì)促進(jìn)更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)了可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程此外，煤矸石的利用還可以帶來其它環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的好處。首先，煤矸石經(jīng)過高溫處理后可以用于生產(chǎn)建筑材料，如磚塊、石灰石等，減少了自然石材的開采，節(jié)約了資源并減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)。其次，若煤矸石得到充分利用，可以減少其造成的環(huán)境污染，例如煤矸石的露天堆放和散落會(huì)導(dǎo)致水、土壤污染和空氣污染，而將其用于生產(chǎn)建筑材料和催化劑可以減少對(duì)環(huán)境的影響。最后，利用煤矸石生產(chǎn)催化劑和其它高附加值化學(xué)品可以帶來經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)。

在未來的研究中，可以考慮將不同的催化劑材料與煤矸石進(jìn)行復(fù)合使用，從而提高催化劑的性能并擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，可以進(jìn)一步優(yōu)化催化劑的反應(yīng)條件，例如溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間等，以提高反應(yīng)效率和選擇性。同時(shí)，還可以研究催化劑的穩(wěn)定性和可循環(huán)性，以降低生產(chǎn)成本和進(jìn)一步減少對(duì)環(huán)境的影響。最后，可以考慮將煤矸石的利用與煤炭的清潔利用和轉(zhuǎn)化結(jié)合起來，形成一個(gè)完整的循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈條，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展另外，在煤矸石的利用中，還需要解決一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的問題。首先，煤矸石的處理需要大量的能源和化學(xué)品，尤其是高溫處理過程中的能源消耗較大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。因此，需要尋求更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的處理方法，例如采用微波等非熱源技術(shù)進(jìn)行處理，以減少能源消耗和化學(xué)物質(zhì)排放。其次，煤矸石來源廣泛，但其質(zhì)量和成分也存在差異，需要進(jìn)行分類處理。這不僅需要開發(fā)出適用于不同類型煤矸石的處理工藝，也需要建立煤矸石來源的溯源體系，以便監(jiān)管和質(zhì)量控制。最后，煤矸石的利用需要政策支持和市場需求。政策上，需要出臺(tái)相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范煤矸石的處理和利用，提供相應(yīng)的補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠。市場上，需要開發(fā)出高附加值的煤矸石產(chǎn)品，以吸引投資和消費(fèi)者，推動(dòng)煤矸石利用的持續(xù)發(fā)展。

總之，煤矸石作為一種資源儲(chǔ)備和環(huán)境負(fù)擔(dān)，具有廣泛的利用價(jià)值。通過開發(fā)高附加值的催化劑和化學(xué)品，可以實(shí)現(xiàn)煤矸石的最大化利用和資源回收，同時(shí)也可以減少其對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。未來的研究需要進(jìn)一步提高催化劑的性能和穩(wěn)定性，并在政策和市場上提供支持，以促進(jìn)煤矸石