一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂，用于催化甲苯气相氧化制苯甲醛。该催化剂的组成为：质量分数为0～6％的Ag2O，质量分数为1～12％的V2O5，其余为TiO2；催化剂的比表面积为350～600m

A Vanadium-Silver Doped Titanium Nanotube Catalyst and Its Preparation and Application

The invention discloses a vanadium silver doped titanium nanotube catalyst for catalyzing the gas phase oxidation of toluene to benzaldehyde. The composition of the catalyst is as follows: Ag2O with mass fraction of 0-6%, V2O5 with mass fraction of 1-12%, the rest is titanium dioxide, and the specific surface area of the catalyst is 350-600m.

【技术实现步骤摘要】
一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂及其制备方法和应用
本专利技术属于钛纳米材料制备
，具体涉及一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂、制备方法及其应用。
技术介绍
苯甲醛是一种重要的精细化学品。国内苯甲醛的生产主要采用甲苯氯化水解工艺，该工艺要用到氯气、强酸和强碱，环境污染严重，国外已经禁止用该工艺生产苯甲醛。同时该工艺生产的苯甲醛产品中含有微量氯，产品不能在化妆品、食品和医药等领域应用，而对产品脱氯成本高昂。甲苯液相氧化制苯甲酸的过程中可以副产无氯苯甲醛。国内石家庄炼化分公司是国内最大的采用该工艺生产无氯苯甲醛的厂家，苯甲醛年产量不到5000吨。2013年湖南弘润化工有限公司采用该工艺开工建设了一套年产5万吨苯甲酸的装置，年副产苯甲醛125吨。但该工艺苯甲醛产品的选择性较低，不到10％，产量不能满足国内市场的需求。同时该工艺用醋酸作溶剂，溴化物助剂，设备腐蚀严重。日本三菱化学公司1988年建成了世界上第一套2Agt/a生产规模的苯甲酸气相催化加氢制苯甲醛的工业化装置。但该工艺没有后续应用报道。原因可能是由于苯甲酸市场价格较高，装置的经济性较差；同时该工艺以Cr修饰的ZrO2为催化剂，而Cr可致癌，所以限制了催化剂的应用。目前国内外处于探索阶段的无氯苯甲醛合成工艺包括：甲苯气相氧化法、苯甲醇氧化法和苯乙烯氧化法等。由于苯甲醇和苯乙烯的市场价格较高，因此采用这两种原料建成的工业化装置不具市场竞争力；而甲苯价格低廉且供应量充足，因此开发甲苯气相氧化制苯甲醛工艺比较具有市场前景。该工艺存在的主要问题是苯甲醛的收率较低，且甲苯容易发生深度氧化生成碳氧化物。钒基催化剂是研究最多的一种甲苯气相氧化催化剂。研究表明相对SiO2、Al2O3、ZrO2、活性炭等载体，以TiO2负载钒物种时催化剂有更佳的反应性能。沈俭一等发现向V2O5催化剂中引入Ag助剂，可以形成V-Ag-O晶相，可以降低催化剂的表面酸性和提高催化剂的氧化还原能力，从而增强了催化剂的反应性能，反应温度340℃、空速8.9L/(g.h)条件下，引入Ag助剂后，甲苯的转化率由2.4％提高至5.3％，苯甲醛选择性由62％提高至91％(AppliedCatalysisA,2007年第330卷第117～126页)。沈俭一等还发现将V-Ag负载在TiO2上，可以增强催化剂的氧化还原能力，提高甲苯转化率(CatalLett,2009年第128卷第373～378页)。但已报到的以TiO2为载体负载V的甲苯气相氧化催化剂中，TiO2主要以无定型颗粒形式存在，比表面积较小，而较低的比表面积降低了单层分散的活性V物种数量，从而限制了催化剂的反应活性。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题在于，现有的用于催化甲苯气相氧化制备苯甲醛的催化剂活性低，使用现有的催化剂，甲苯的转化率和苯甲醛的选择性低，苯甲醛的产率得不到明显的提高。本专利技术旨在提供一种有较大比表面积的钒银掺杂钛纳米管催化剂，以增加催化剂表面单层活性钒物种的数量，从而提高催化剂催化甲苯气相氧化制苯甲醛的反应性能。本专利技术的目的之一是提供一种制备钒银掺杂钛纳米管催化剂，该催化剂的组成为：质量分数为0～6％的Ag2O，质量分数为1％～12％的V2O5，其余为TiO2；催化剂的比表面积为350～600m2/g，孔容为0.4～0.7cm3/g，孔径为4～7nm。苯甲醛的收率与催化剂可利用的表面积和孔径分布的变化密切相关。添加适量的Ag2O后，改善了催化剂的孔结构参数，小孔减少，中孔增多，使反应物分子可以到达的孔的体积增大，提高了催化剂的内表面利用率，大大改善了分子的扩散和催化性能。当孔径较小时，产物苯甲醛的扩散阻力较大，在孔内的停留时间相对较长，从而引起深度氧化等副反应的发生，生成二氧化碳，孔径愈大，催化剂的有效因子也愈大，因而催化剂表现出较好的活性。但是当Ag2O含量太高时，过多的Ag2O覆盖了反应的活性，使比表面积和孔容降低，因而活性反而下降。本专利技术的目的之一是提供一种制备钒银掺杂钛纳米管催化剂的方法，先采用溶胶凝胶法制备银掺杂的钛纳米管，再采用浸渍法将钒负载在银掺杂的钛纳米管上；该制备方法具体包括如下步骤：(1)将有机钛前躯体、无水乙醇和冰醋酸配置成混合溶液A，将无水乙醇与硝酸银配置成混合溶液B；(2)将A溶液缓慢滴加到混合溶液B中，室温下搅拌、老化后得到透明凝胶，烘干、煅烧后得到银掺杂的钛纳米管；(3)将钒盐与无水乙醇配置成混合溶液C，将所制得的银掺杂的钛纳米管加入到溶液C，搅拌烘干，煅烧后得到钒银掺杂的钛纳米管催化剂。将有机钛前躯体在无水乙醇中，在冰醋酸作用下，进行水解、缩合化学反应，与硝酸银充分混合，在溶液中形成溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶；凝胶经过干燥、煅烧固化制备出含银的钛纳米管。将含银的钛纳米管与钒盐的无水乙醇混合，此时含银的钛纳米管作为载体，使钒盐溶液吸附或贮存在载体毛细管中，通过烘干除去过剩的溶液，经煅烧活化得到钒银掺杂的钛纳米管催化剂。上述步骤(1)中的有机钛前驱体为钛酸四丁酯、钛酸四丙酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四异丁酯或钛酸四叔丁酯。进一步地，步骤(1)所的混合溶液A中，有机钛前躯体、无水乙醇和冰醋酸的摩尔比为1:8～15:0.5～1.5。混合溶液B中的硝酸银与无水乙醇的摩尔比为1:50～100，所述的硝酸银的添加量与有机钛前躯体的摩尔比为0～0.05:1。当目标催化剂中无Ag2O存在时，即无需加入混合溶液B。上述步骤(2)中搅拌时间为1～2h；老化时间为6～9h；烘干温度为120～150℃，烘干时间为3～5h；煅烧温度为450～600℃，煅烧时间为4～6h。上述步骤(3)所述的钒盐为偏钒酸铵、醋酸氧钒或草酸氧钒；C溶液中钒盐与无水乙醇的摩尔比为1:10～20；所述的钒盐添加量与有机钛前躯体的摩尔比为0.0108～0.129﹕1。进一步地，上述步骤(3)中烘干温度为80～100℃；煅烧温度为450～600℃，煅烧时间为4～6h。本专利技术的目的之三是提供一种所制备催化剂在催化甲苯气相氧化制苯甲醛中的应用，具体包括如下步骤：将催化剂装填在固定床反应器内，150～300℃氮气气氛下煅烧1～2h，然后升温至反应温度340～440℃，并切换成反应气，反应气的组成为甲苯蒸气的体积分数为2～4％，氧气的体积分数为5～10％，其余为氮气，反应气的空速为1x103～2x103h-1。反应物及产物通过气相色谱仪检测。本专利技术提供的钒银掺杂钛纳米管催化剂反应活性和选择性较高，且稳定性较好。反应5h后，苯甲醛的选择性最高可达96.7％，苯甲醛收率最高可达26.9％，碳氧化物一氧化碳和二氧化碳总选择性低于9％，具有良好的工业化应用前景。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术进行进一步的阐明。实施例1：将0.1mol钛酸四丁酯、1.5mol无水乙醇和0.15mol冰醋酸配置成混合溶液A。将0.005mol硝酸银和0.25mol无水乙醇配置成混合溶液B。将A溶液缓慢滴加到B溶液中，室温下搅拌2h，老化9h后得到透明凝胶，150℃烘干5h，600℃煅烧6h后得到银掺杂的钛纳米管。将0.0129mol偏钒酸铵与0.129mol无水乙醇配置成混合溶液C，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂，其特征在于：该催化剂的组成为：质量分数为0～6％的Ag2O，质量分数为1％～12％的V2O5，其余为TiO2；催化剂的比表面积为350～600m2/g，孔容为0.4～0.7cm3/g，孔径为4～7nm。

【技术特征摘要】
1.一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂，其特征在于：该催化剂的组成为：质量分数为0～6％的Ag2O，质量分数为1％～12％的V2O5，其余为TiO2；催化剂的比表面积为350～600m2/g，孔容为0.4～0.7cm3/g，孔径为4～7nm。2.如权利要求1所述的一种钒银掺杂的钛纳米管催化剂的制备方法，其特征在于先采用溶胶凝胶法制备银掺杂的钛纳米管，再采用浸渍法将钒负载在银掺杂的钛纳米管上；具体包括如下步骤：(1)将有机钛前躯体、无水乙醇和冰醋酸配置成混合溶液A，将无水乙醇与硝酸银配置成混合溶液B；(2)将A溶液缓慢滴加到B溶液中，室温下搅拌、老化后得到透明凝胶，烘干、煅烧后得到银掺杂的钛纳米管；(3)将钒盐与无水乙醇配置成混合溶液C，将所制得的银掺杂的钛纳米管加入到溶液C，搅拌烘干，煅烧后得到钒银掺杂的钛纳米管催化剂。3.如权利要求2所述的钒银掺杂的钛纳米管催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中有机钛前驱体为钛酸四丁酯、钛酸四丙酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四异丁酯或钛酸四叔丁酯。4.如权利要求2所述的钒银掺杂的钛纳米管催化剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的混合溶液A中，有机钛前躯体、无水乙醇、冰醋酸的摩尔比为1:8～15:0.5～1.5。5.如权利要求2所述的钒银掺杂的钛纳米管催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中B溶液中的硝酸银与无...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽壮，刘经伟，杨爱武，张诚，柏基业，方晓江，刘丽娟，王英武，
申请(专利权)人：中国石化扬子石油化工有限公司，中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32