活性炭对乙炔的选择性加氢催化

　　在高温下裂化石脑油可生产工业重要原料乙烯。该化合物被广泛用于橡胶，纤维和塑料。然而，石脑油价格昂贵，原油资源相对稀缺。因此，使用石脑油热解作为产生乙烯的方法具有固有的局限性。另一方面，乙炔被电石直接氢化是生产乙烯的经济途径。活性炭载体由于其可控制的孔结构，高比表面积和易于调节的表面化学性质而常被用于非均相催化，特别是在氢化反应中。活性炭的掺杂可以提高催化剂的活性，如果在富氮活性炭中掺杂镍原子，可能比钯催化剂会好很多。因此，活性炭载体在乙炔选择性加氢为乙烯中具有潜在的应用前景。

　　活性炭载镍催化剂表征结果

快盈VIII　　我们对活性炭载体相关的催化剂的结构和形态变化，进行了TEM分析。相关实验的结果报告在图1中。金属镍均匀地分散在活性炭上。实际上，在活性炭改性后，催化剂粒径发生了显着变化。当将镍金属直接负载在活性炭载体上时，粒径为约4.78nm，而当镍金属负载在氮改性的活性炭载体上时，粒径为约8.97nm。值得注意的是，当改性催化剂时，乙炔转化率和催化剂稳定性显着提高。

　　图1：(a)活性炭载镍和(b)富氮活性炭载镍的透射电子显微镜图像。

　　活性炭催化性能的测量

　　我们通过电石乙炔路线生产了乙烯，只有乙炔(>99.99%)和氢气(>99.99%)被送入反应管，而没有乙烯或其他平衡气体。用质量流量控制器控制反应中的所有气体流量，并且气体入口压力为0.1MPa。在内径为10mm的30cm长的不锈钢反应管中，在热电偶检测位置放置适量的石英砂，并放入约0.1000g活性炭催化剂。温度以5°C/分钟的速率从室温升至150°C;同时，作为样品预处理，氢气以80mL/min的速度通过反应管。经过2小时的预处理后，将流量计的值调整为所需的流量，将乙炔加入到流量计中进行反应。使用热导检测器进行反应产物的定量分析。

　　活性炭对乙炔的加氢催化

　　为了研究活性炭中氮的存在对催化剂样品中金属镍还原性的影响，在富氮活性炭载镍上进行了测试。这些曲线的特征是在200–400°C和450–700°C范围内有两个明显的不对称还原峰。200–400°C时的峰归属于参与弱金属与载体相互作用的游离氧化镍的还原。出现在450-700°C范围内的峰归因于参与强金属-载体相互作用的高度分散的氧化镍的减少。值得注意的是，在改性载体催化剂的情况下，还原峰在450-700°C时沿高温方向移动。此外，随着载体中氮含量的增加，还原峰在高温方向上进一步移动。因此，证据表明，金属活性组分与载体之间的相互作用的强度随活性炭的氮含量而增加。

快盈VIII　　对两种活性炭催化剂进行XPS表征，以研究这些催化剂的电子结构和表面组成(见图2)。结合能值以及Ni，C，N和O表面组成，有证据表明，随着x值的增加，氮的电子云密度降低。换句话说，随着活性炭中氮含量的增加，从氮到镍的电荷转移变得更加强烈。改性活性炭与镍之间增强的电子转移可导致它们之间更强的相互作用，从而导致催化剂稳定性的显着改善。已经发现，当金属原子与充当电子受体的吡啶-N物质相互作用时，通常观察到正结合能移位，而可以将负结合能转移赋予赋予电子给相邻金属原子的石墨-N物质。对于镍催化剂，电子密度的增加将增加选择性。因此，我们可以推断出吡啶-N对活性炭催化剂的选择性不利，而石墨-N对活性炭催化剂的选择性有利，所以富氮活性炭载镍催化剂具有更好的选择性。

　　图2：(a)活性炭载镍催化剂和(b)活性炭富氮载镍催化剂的X射线光电子能谱。

　　活性炭催化剂在高浓度乙炔的选择性加氢中显示出优异的活性。氮和镍之间的电子转移增强了金属与载体之间的相互作用，同时提高了活性炭催化剂的稳定性。在200°C的反应温度下，催化剂的乙烯转化率可以达到约96%，乙烯的选择性可以达到约46%的值。本研究为改性活性炭载镍基催化剂在高浓度乙炔加氢中的应用提供了一个简单的思路。在未来的研究中，我们将重点研究活性炭催化剂结构对高浓度乙炔选择性加氢的影响。

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