[发明专利]一种炭载过渡金属碳氮化合物及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及炭载过渡金属碳氮化合物，具体的说是提供一种以炭材料为载体的负载型过渡金属碳氮化合物及其制备方法，以及该类碳氮化合物在肼分解反应和其他涉氢反应中的应用。

背景技术

过渡金属氮化物和碳化物是由氮或碳原子嵌入过渡金属的晶格形成的一类间充化合物，同时具有共价固体、离子晶体和过渡金属的特性。自1973年Levy和Boudart报道了碳化钨在一系列催化反应中表现出了类贵金属性质以来，过渡金属氮化物和碳化物作为一类新型的催化材料引起了人们的极大关注。

目前在催化领域中，具有大比表面积、高催化活性的纯相和负载型氮化物、碳化物的合成，一般采用的是程序升温反应(TPR)的方法[Journal ofSolid State Chemistry 59(1985)332，Journal of Solid State Chemistry 59(1985)348]。由于反应气氛的限制，这种制备方法只能制备出单一的氮化物或碳化物。

根据调研，关于过渡金属碳氮化合物及其制备方法，以及进一步将其用于各类涉氢反应的研究还没有相关的专利和文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以炭材料为载体的负载型过渡金属碳氮化合物及其制备和应用。所制备的炭载过渡金属碳氮化合物催化剂同时具有成本低、比表面积高、强度高、易于成型等特点，在各类涉氢反应中表现出了很好的应用前景。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种炭载过渡金属碳氮化合物，可用下式表示，AN_xC_y/Z，A为第IVB、VB、VIB、VIIB和VIII族元素中的一种或两种，N为氮元素，C为碳元素，Z为炭载体，其中0＜x＜1，0＜y＜1，AN_xC_y于AN_xC_y/Z中含量为5-60wt％。

其中A可为Mo，W，V，Nb，Cr，Fe，Co，Ni，Zr或Ta中的一种或两种；所述炭载体为活性炭、碳黑、纳米碳管、活性碳纤维、纳米碳纤维/碳毡复合材料或中孔炭等各种炭材料。

所述炭载过渡金属碳氮化合物可按如下步骤进行操作，

1)过渡金属碳氮化合物前驱体的制备：

采用浸渍的方法，将过渡金属可溶性化合物担载到活性炭载体上，浸渍1-24小时，在100-150℃烘干6-24小时，在350-500℃惰性气氛中焙烧2-6小时；根据碳氮化合物的担载量，制备时，过渡金属与炭载体的质量比通常为4-65∶96-35；

所述浸渍过程中，将过渡金属可溶性化合物溶于水和乙醇的混合溶液中，乙醇的质量含量为0-100％，采用等体积浸渍或分步浸渍的方法担载到载体上；浸渍所用的过渡金属可溶性化合物为金属的硝酸盐、草酸盐、醋酸盐或金属酸的盐。浸渍过程中，使用的可溶性化合物与混合溶液的质量浓度可为5-60％。

2)目标过渡金属碳氮化合物的制备：

将前驱体在氨气和氢气混合气中进行程序升温反应，氨气的体积含量是10-100％，升温速率为0.5-20℃/分，反应空速为500-20000/小时，最终的反应温度为600-1000℃，反应时间为0.5-5小时。

所述炭载过渡金属碳氮化合物可用于加氢脱硫、加氢脱氮、双键或三键选择加氢、氨分解反应或肼分解反应中。

本发明的优点为：

1.本发明首次报道了过渡金属碳氮化合物及其制备方法。所得过渡金属碳氮化合物，以炭载体为碳源，以氨气为氮源，在制备过程中可同时制备得到氮化物和碳化物。制备方法简单可靠，可批量生产。

2.采用本发明中的制备方法制得的炭载过渡金属碳氮化合物催化剂，表面无积碳，活性组分在载体上高度分散，活性组分与载体之间相互渗透，结合紧密。

3.该化合物作为催化剂，由于使用廉价的过渡金属碳氮化合物为活性组分，廉价的炭材料为载体，制备工艺简单，因此制备成本较低。

4、由于炭载体具有比表面积大、强度高、易于成型等优点，使炭载碳氮化合物催化剂在各类涉氢反应中的进一步实际应用成为可能。

5.本催化剂具有与传统的Ir/γ-Al₂O₃相比拟的肼分解催化活性，可部分或完全替代Ir/γ-Al₂O₃催化剂。

附图说明

图1  WN_xC_y/AC(16.7wt％)催化剂的X射线衍射结果；