[发明专利]高分散的锚定于氮化硅的过渡金属催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种高比表面积的氮化硅载体、其制备方法、由此制备的高分散的锚定于Si₃N₄的过渡金属催化剂及其制备方法和应用。其中，相对于所述氮化硅载体中的所有的孔，孔径大于50nm的大孔占比为1％‑5％，孔径为2‑50nm的中孔占比为95％‑99％，所述氮化硅载体的孔隙率为50％‑95％，且所述氮化硅载体的比表面积为100‑800m²/g。所述催化剂包括活性金属和上述的氮化硅载体，具有高的比表面积为100‑1000m²/g、特定的孔径分布和小的金属晶粒尺寸，从而在催化加氢反应中表现出高的催化活性、优异的产物选择性和运行稳定性，同时具有良好的抗磨损能力和高的水热稳定性。

技术领域

本发明涉及催化领域，具体涉及一种高分散的过渡金属催化剂、其制备方法和应用，尤其是锚定于氮化硅(Si₃N₄)的超高分散过渡金属催化剂、其制备方法和应用。

背景技术

催化技术被广泛应用于医药、精细化工、能源环境催化等多种领域。催化剂是催化技术的核心。通常，催化剂主要由活性组分、载体和助剂三部分组成，金属在周期表中的位置决定了相应催化剂的催化能力和产物分布。过渡金属Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt等在催化领域有着广泛的应用。载体在催化剂中主要起到分散活性组分的作用，催化剂载体能够有效地提高金属的分散度，促进活性金属的分散，增加金属暴露的活性位点，抑制催化剂组分的烧结，提高催化剂的机械性能，得到高稳定性和有效分散金属的载体是得到稳定的高活性的催化剂的关键。

Si₃N₄是一种机械性能非常高的材料，具有高硬度、高强度、抗腐蚀和抗氧化、低密度、疏水性等特性。与催化剂常用的氧化物载体相比，Si₃N₄具有良好的水热稳定性、化学稳定性以及高的导热性。在高放热反应中，有利于传热，消除热量梯度，从而限制局部热点的形成，减少载体结构改变和活性相烧结的产生。文献(Silicon nitride supported nickelcatalyst for partial oxidation of methane to syngas,Catal.Commun.,2008，9，第2103-2106页)报道了以氮化硅为载体、浸渍法制备的Ni/Si₃N₄在甲烷部分氧化制合成气的高温(800℃)反应中表现出优异的反应活性和良好的稳定性(200h)，氮化硅载体的高导热性能够有效的避免局部热点的产生，然而金属分散度低，金属晶粒尺寸大(21nm)。文献(Rucatalysts supported by Si₃N₄ for Fischer-Tropsch synthesis，Applied SurfaceScience，2020，526，146631)首次将氮化硅用于Ru基催化剂费托反应，催化剂表现出了优异的活性，但是使用的氮化硅比表面积较低，金属粒径较大。综合已报道的氮化硅为载体的相关文献发现，这些报道的氮化硅载体催化剂普遍存在载体比表面低、对金属分散有限、金属粒径较大、利用率低等问题。

因此，有必要提供一种可控合成的具有高比表面以及特定的孔径分布和孔隙率的氮化硅载体，并基于该氮化硅载体来制备具有金属分散度高、水热稳定性好、催化反应活性高、目标产物选择性高和金属利用率高等优点的的锚定于所述氮化硅的过渡金属催化剂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的催化剂存在的上述缺陷。发明人通过在保持高的载体比表面积的同时控制氮化硅载体的孔径分布和孔隙率、以及改进催化剂的制备方法，从而提供了一种具有金属分散度高、水热稳定性好、催化反应活性高、目标产物选择性高和金属利用率高等优点的锚定于所述氮化硅载体的过渡金属催化剂。该催化剂具有强的金属分散作用，能够暴露更多的活性位点，粒子尺寸较小，并且具有高的催化反应活性和目标产物选择性，有效地提高了金属利用率，此外，该催化剂具有高的水热稳定性。具体而言，该催化剂包含第VIIIB族过渡金属等作为活性相金属以及氮化硅载体。本发明还提供了该催化剂的制备方法和其在催化反应中的应用。