阅读说明：本技术 一种等级孔大孔-介孔γ-Al2O3催化剂载体材料及其制备方法 (Hierarchical porous macroporous-mesoporous gamma-Al2O3Catalyst carrier material and preparation method thereof ) 是由 陈丽华 雷坤皓 张净铭 侯月新 刘思明 孙晓芳 钟运开 苏宝连 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有等级孔大孔-介孔γ-Al_2O_3催化剂载体材料及其制备方法。该γ-Al_2O_3催化剂载体材料具有大孔和介孔孔道,大孔孔壁由氧化铝纳米片组装而成,纳米片间相互堆积成褶皱状并形成丰富的介孔孔道,且大孔与介孔交叉贯通,比表面积高,反应活性位点多,反应所需能垒低,催化性能好。本发明通过一步制备生成具有等级孔大孔-介孔体系的催化剂载体材料,该方法反应条件温和,操作简便,杂质引入量极少,有利于工业化推广。(The invention discloses a macroporous-mesoporous gamma-Al with hierarchical pores 2 O 3 A catalyst carrier material and a preparation method thereof. The gamma-Al 2 O 3 The catalyst carrier material is provided with macropores and mesoporous channels, the walls of the macropores are assembled by alumina nano sheets, the nano sheets are mutually stacked into a corrugated shape to form rich mesoporous channels, and the macropores and the mesopores are crossed and communicated, so that the specific surface area is high, the number of reaction active sites is large, the energy barrier required by the reaction is low, and the catalytic performance is good. The invention generates the macropores with hierarchical pores by one-step preparationThe method has the advantages of mild reaction conditions, simple and convenient operation, very small impurity introduction amount and contribution to industrial popularization.)

一种等级孔大孔-介孔γ-Al2O3催化剂载体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及γ-Al₂O₃催化剂载体材料技术领域，具体涉及一种等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料及其制备方法。

背景技术

在目前工业生产中，已经投入使用的载体材料包括氧化铝、活性炭、氧化钛、硅铝酸盐等。其中，以属性优良的氧化铝载体应用最为广泛，约占到工业担载型催化剂载体的70％以上。在氧化铝的众多晶相中，又属γ-Al₂O₃性能最优。因其具有孔道属性可调、比表面积大、吸附性强、表面酸碱性可调、机械强度大、热稳定性高等优点，因而γ-Al₂O₃又有“活性氧化铝”的美称。

孔道属性不仅是评价催化剂性能的重要指标，也是影响催化性能的重要因素，主要涉及材料的比表面积、孔体积、平均孔径及孔径分布等一系列结构参数。较高的比表面积可以有效增加反应物与催化剂的接触面积，同时也保证了活性组分的均匀分布。孔道体系的引入进一步增加了反应物的流通扩散性，能够有效改善催化剂堵塞、积碳等问题。但目前的工业制备方法，在无外加模板剂或表面活性剂的情况下，很难制备出高比表面积、具备优良孔道属性的氧化铝载体材料，这也是催化剂整体催化效率难以进一步提升的主要问题。即使引入模板剂或表面活性剂，但模板剂制备复杂，操作要求高，表面活性剂价格昂贵等因素又限制了其大规模生产应用。因此，开发低成本、高效率制备具有高比表面积的氧化铝载体材料，同时又能有效改善调控氧化铝载体材料孔道属性，为催化反应提供更多选择，是目前研究者们所共同关注的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料及其制备方法，该载体材料具有等级孔大孔-介孔结构，且大孔孔壁是由具有介孔孔道的氧化铝纳米片堆积组装而成，比表面积高，催化性能好，其制备条件温和，操作简单，杂质少，适合工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料，该γ-Al₂O₃催化剂载体材料为保持高贯通性等级孔大孔-介孔结构的块状固体，大孔孔壁由氧化铝纳米片组装而成，纳米片间相互堆积成褶皱状并形成丰富的介孔孔道，且大孔与介孔交叉贯通。

按上述方案，γ-Al₂O₃催化剂载体材料中，大孔孔径为500nm-1μm；介孔孔径为5-10nm。

按上述方案，γ-Al₂O₃催化剂载体材料中，氧化铝纳米片长为80-100nm，宽为40-60nm，厚为10-20nm。

上述具有等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料的制备方法，包括以下步骤：

1)甲醇与去离子水混合搅拌均匀得澄清溶液；

2)将仲丁醇铝逐滴滴入步骤1)制得的澄清溶液中，得到混合溶液；

3)待步骤2)所得的混合溶液静置，抽滤，干燥得到白色沉淀前驱体；

4)将步骤3)所得白色沉淀前驱体灼烧得到具有等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料。

按上述方案，仲丁醇铝和甲醇的摩尔比为1:(0.05-50)，优选为1：(15-45)。

按上述方案，甲醇与去离子水的体积比为(1:19)～(19:1)，优选为(1:3)～(3:1)。

按上述方案，步骤1)中搅拌时间为5-10min。

按上述方案，步骤2)的反应在25-60℃下进行。

按上述方案，步骤3)中静置时间为30-60min。

按上述方案，步骤3)中所述干燥温度为40-60℃，干燥时间为24-48h。

按上述方案，步骤4)中所述灼烧温度为500-550℃，灼烧时间为2-3h。

本发明利用“金属有机醇酯”在水中的自发水解缩合，水解生成的醇分子聚集向外扩散，从而在材料内部形成孔道这一现象，通过调节和控制“金属有机醇酯”的水解缩合反应速度，就能实现一步法快速合成具有不同孔径的等级孔大孔-介孔金属氧化物材料。本发明采用的极性溶剂甲醇为质子性溶剂，易与亲核试剂水产生氢键，使亲核试剂水溶剂化，溶剂化后的溶液体系对有机醇酯的水解反应具有一定的催化作用，促进水解产物水合氢氧化铝沿二维晶面生长，最终形成纳米片并堆积成褶皱状产生介孔，而纳米片组装形成大孔的孔壁。二维纳米片具有高暴露的表面和边缘，这些都能为发展高性能催化剂提供契机，一般来说催化反应易发生在材料的台阶、拐角、断面等缺陷处，纳米片由于结构扭曲更容易形成缺陷，其缺陷处发生催化反应时需要的能垒要低很多，其高暴露的表面同时提供了较高比表面积，有利于活性位点的负载。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的具有等级孔大孔-介孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料，大孔孔壁由氧化铝纳米片组装而成，纳米片间相互堆积成褶皱状并形成丰富的介孔孔道，且大孔与介孔交叉贯通，比表面积高，反应活性位点多，反应所需能垒低，催化性能好。

2.本发明通过利用有机醇铝在质子性极性溶液甲醇中发生水解缩合反应，一步生成具有等级孔大孔-介孔体系的催化剂载体材料，且水解产物沿二维晶面生长的纳米片结构也有利于后期活性位点的负载以及催化反应的进行，该方法反应条件温和，操作简便，杂质引入量极少，有利于工业化推广。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料的广角衍射XRD图。

图2为本发明实施例1中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料的扫描电镜图，其中图a和图b为不同放大倍数。

图3为本发明实施例2中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料的扫描电镜图。

图4为本发明实施例3中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料的扫描电镜图。

图5为本发明实施例1和实施例2中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料氮气吸附曲线。

图6为本发明实施例3中制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料氮气吸附曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，如无具体说明，所述的试剂均为市售化学试剂。

实施例1

一种具有等级孔大孔-介孔结构的γ-Al₂O₃催化剂载体材料，其制备方法包括以下步骤：

1)往烧杯中加入甲醇(99.5wt％)15ml和去离子水5ml，搅拌5min，得到澄清溶液；

2)称取2.0g仲丁醇铝(95wt％)，在25℃温度条件下，将其缓慢滴入澄清溶液中，生成白色沉淀；

3)将步骤2)所得白色沉淀静置1h后进行抽滤，40℃干燥24h得到前驱体；

4)将步骤3)所得前驱体放入马弗炉中在550℃温度下灼烧2h得到产物等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料。

实施例2

一种具有等级孔大孔-介孔结构的γ-Al₂O₃催化剂载体材料，其制备方法包括以下步骤：

1)往烧杯中加入甲醇(99.5wt％)10ml和去离子水10ml，搅拌5min，得到澄清溶液；

2)称取2.0g仲丁醇铝(95wt％)，在25℃温度条件下，将其缓慢滴入澄清溶液中，生成白色沉淀；

3)将步骤2)所得白色沉淀静置1h后进行抽滤，40℃干燥24h得到前驱体；

4)将步骤3)所得前驱体放入马弗炉中在550℃温度下灼烧2h得到产物等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料。

实施例3

一种具有等级孔大孔-介孔结构的γ-Al₂O₃催化剂载体材料，其制备方法包括以下步骤：

1)保持溶液体系20ml总体积不变，往烧杯中加入甲醇(99.5wt％)15ml和去离子水5ml，搅拌5min，得到澄清溶液；

2)称取2.0g仲丁醇铝(95wt％)，在60℃温度条件下，将其缓慢滴入澄清溶液中，生成白色沉淀；

3)将步骤2)所得白色沉淀静置1h后进行抽滤，40℃干燥24h得到前驱体；

4)将步骤3)所得前驱体放入马弗炉中在550℃温度下灼烧2h得到产物等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料。

图1为本实施例1、实施例2制得的等级孔γ-Al₂O₃催化剂载体材料广角衍射XRD图，由图1可以看出，样品表现出了γ-Al₂O₃相。

图2、3分别为本发明实施例1、例2中制得的γ-Al₂O₃催化剂载体材料的扫描电镜图，图中可以看出，材料中存在丰富的大孔与介孔，且大孔的孔壁由纳米片相互堆积组装成褶皱状，并形成介孔孔道，大孔的孔径为500nm-1μm。

图4为本发明实施例3中制得的γ-Al₂O₃催化剂载体材料的扫描电镜图，图中区域可以看出，升高反应温度后，材料中部分区域生成了更丰富的由纳米片堆积而成的介孔，从而使材料的比表面积有所提高。

图5为本发明实施例1和实施例2中制得的γ-Al₂O₃催化剂载体材料的氮气吸脱附曲线，回滞环的存在说明样品存在大量的介孔，实施例1和实施例2制备得到的γ-Al₂O₃催化剂载体材料总比表面积分别为349cm²/g、420cm²/g，总孔容分别为0.77cm³/g、0.86cm³/g，介孔孔径分别为7.7nm、8.2nm。

图6为本发明实施例3中制得的γ-Al₂O₃催化剂载体材料的氮气吸脱附曲线，回滞环的存在说明样品存在大量的介孔，含水量为5ml的样品总比表面积为578cm²/g，总孔容分别为0.85cm³/g，介孔孔径为5.0nm，升高反应温度后，产物比表面积升高，水解缩合反应形成了更多的由纳米片堆积而成的介孔。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。