CN1143823C - 具有大表面积的单斜晶二氧化锆的制备方法 - Google Patents

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Abstract

含有至少80%(重量)单斜晶和BET表面积至少为100米2/克的ZrO2是通过水溶性锆盐水溶液与氨混合,干燥,煅烧沉淀产物来制备的,其中在干燥之前,在水相中,在0~300℃下陈化沉淀产物,并在200~600℃下进行煅烧。

Description

具有大表面积的单斜晶二氧化锆的制备方法
本发明涉及具有大表面积的单斜晶ZrO2,其制备方法,由其制备的模压制品和其作为催化剂或催化剂载体的用途。
P.D.L.Mercera等人的《催化剂应用》(Applied Catalysis)57(1990),第127-148页,描述了对二氧化锆沉淀产物的化学结构和组织结构的研究。凝胶沉淀法生产的二氧化锆具有充分发达的中孔组织结构,虽然这种中孔结构不稳定。这本身表现在最初高比表面积的快速损耗,特别是在煅烧时。在ZrOCl2溶液中逐渐滴加氨水直到pH值为10.0。将沉淀产物置于母液中陈化65小时,然后过滤,洗涤,在110℃的空气中干燥20小时。在高达850℃下进行煅烧。所得到的产品是一种由单斜晶相和亚稳的四方晶相或立方晶相组成的混合物。煅烧温度低于650℃时单斜晶二氧化锆的体积分数低于80%。煅烧主要产生四方晶相而不是单斜晶相。
T.Yamagachi在Catalysis Today,1994年第20期,第199至218页中描述了二氧化锆作为催化剂或催化剂载体的用途。这种二氧化锆是通过沉淀得到的。在煅烧温度为400℃时四方晶相的份数在15%以上,在煅烧温度为600℃时约为10%。与此同时,在此温度下的表面积下降到约为25米2/克。当煅烧温度升高时,表面积急剧下降。在煅烧以后,经过长时间陈化,结果首先形成单斜晶形。可是,所得到的这种二氧化锆的表面积非常低。
A.C1earfield在Catalysis Today 20(1994),295页至312页,描述了含水二氧化锆的晶体结构和它的制造方法。通过沉淀可溶性的锆盐制备二氧化锆。在pH值为8~12范围内沉淀,观察到约30%的四方晶二氧化锆,其余的为单斜晶。但该文献未提及表面积。
FR-A 2 590 887描述了二氧化锆组合物及其制造方法。用氨水沉淀硝酸氧锆,然后洗涤,在150℃下干燥36小时,在550℃下煅烧1小时,得到一种比表面积为80米2/克的单斜晶二氧化锆。
EP-A-0 716 883描述了主要由单斜晶二氧化锆组成的催化剂或载体。这种单斜晶二氧化锆是用氨水沉淀锆盐溶液制备的,将ZrO(NO3)2或ZrOCl2溶液加入到氨水溶液中,同时使pH值从14降到6。然后将沉淀产物干燥,煅烧,压片。由此得到的二氧化锆模压制品具有高比例的单斜晶结构。通过在水蒸汽分压为0.2~0.9巴(ar),温度为120℃下干燥约16小时能提高这种单斜晶二氧化锆的比例。它们所具有的BET表面积可达91米2/克以上。
对某些催化用途,尽可能大的表面积又有尽可能高的单斜晶相比例的单斜晶二氧化锆应被优先采用。
但是,具有较大表面积的单斜晶二氧化锆的制备遇到的主要困难是由于沉淀通常产生富水α型氢氧化锆,由该α型氢氧化锆形成亚稳四方晶二氧化锆,后者仅在高于650℃下才转变成单斜晶二氧化锆,而在煅烧期间其表面积明显下降。
本发明的目的在于提供一种主要为单斜晶和具有大BET表面积的二氧化锆。
根据本发明,提供的二氧化锆的单斜晶含量至少为80%(重量),BET表面积至少为100米2/克。
根据本发明可获得BET表面积为100~350米2/克,最好是100~200米2/克,尤其是100~160米2/克,同时单斜晶含量至少为85%(重量),优选至少为90%(重量),更优选至少为95%(重量)的二氧化锆,单斜晶二氧化锆的比例可由产品的X-射线衍射图来测定。
此附图表明:
图1表示四方晶相、单斜晶相和混合晶相的X-射线衍射图。I表示强度。
根据本发明可以发现,如果将用氨水沉淀锆盐溶液后得到的沉淀产品在水相中陈化,那么可得到大表面积的主要为单晶的单斜晶二氧化锆。在这个过程中,开始产生的四主晶二氧化锆被转变成单斜晶二氧化锆。然后干燥并煅烧此沉淀产物。
本发明还涉及一种含至少80%(重量)的单斜晶和BET表面积至少为100m2/g的二氧化锆的制备方法,将锆盐水溶液与氨水混合,干燥并煅烧沉淀产物,包括干燥之前,在0~300℃的水相中陈化此沉淀产物,在200~600℃下进行煅烧。
在20~250℃下陈化至少2小时更好,最好是在70~250℃下陈化至少24小时。根据陈化期间的温度可以改变时间。为了将四方晶二氧化锆完全转变为单斜晶二氧化锆,陈化温度越低需要的时间越长。
优选的初始步骤是用水溶性锆盐例如ZrOCl2或水不溶性锆盐例如ZrCO3和一种酸制备0.01-5mmol%,优选0.5-5mol%,更优选0.25-5mol%含氧锆基的溶液。然后通过加入氨水溶液使这种溶液在0~100℃优选在10~80℃沉淀。氨水溶液的浓度最好为0.01~30%(重量),0.1~30%(重量)更好。在EP-A-0 716 883公开了有关的操作步骤。
沉淀以后的pH值最好在4~10之间,pH值为4~6更好。
为了陈化沉淀产物,将其与水相一起静置,在实施例中具体指出了常用温度。
这种情况下陈化时间最好是1~1000小时,5~500小时更好。如果温度在200~450℃、优选250~400℃范围内的话,煅烧时间最好超过0.5~10小时,最佳为1~6小时。
陈化步骤中通过将沉淀产生的混合物简单地静置,可得到高比率大表面积的单斜晶二氧化锆。
沉淀产物在吸滤装置中洗涤,并除去氨或铵盐。然后在规定温度下、任选0.01~1巴的压力下干燥和煅烧。有关沉淀、干燥和煅烧过程的详细情况参见EP-A-0716883。
根据本发明的二氧化锆也包括少量的已经在沉淀溶液中存在的其它成分。在沉淀之后,陈化和干燥之前也可引入有关添加剂。例如,为了制备硫酸化的二氧化锆,也可用前面描述的方法,将水相与硫酸、多硫酸或水溶性硫酸盐混合,任选地在沉淀前后进行混合。最好是在沉淀后将沉淀产物混合。为了达到这个目的,最好使用浓度为尤其优选是0.1~50%(重量)范围内的硫酸、多硫酸或可溶性硫酸盐例如碱金属硫酸盐,特别优选硫酸铵。如上所述在混合以后进行干燥和煅烧。
本发明还涉及含有按硫酸化的二氧化锆计硫酸盐成分的含量%为0.05~10%,(重量)0.05~8%(重量)最好更优选,0.1~7%(以硫酸根计算)的硫酸化二氧化锆,它所具有的BET表面积至少为100米2/克,其中至少80%(重量)的二氧化锆是单斜晶。单斜晶二氧化锆优选的的表面积和比例范围在上面已详细说明。
煅烧时间最好为0.5~10小时,尤以1~6小时为佳。
特别优选地,所说的陈化至多是在210℃下进行的,煅烧温度至多为400℃,特别是陈化温度为80~200℃和煅烧湿度为250~400℃。
在硫酸化二氧化锆的情况下,与未硫酸化的二氧化锆相比煅烧可在更高的下进行,原因是硫酸化可使表面积稳定。
用本发明的二氧化锆可按已知的方法例如压模制备模压制品。这些模制品含有本发明的二氧化锆,也可含有常规成分,如粘结剂,压片助剂,脱模剂和其它赋形剂。最好不要使用太多的赋形剂。在EP-A-0 716 883中描述了可用于制造模压制品的方法。可将模压制品制成任何形状,如片状,丸状,挤压物,颗粒,环状和其它通常用丸做催化剂所遇到的形状。因此,该模压制品可用于流化床或固定床中。
本发明的二氧化锆可用作催化剂或催化剂载体。这种催化剂也可含有新型二氧化锆作为载体,而载体掺杂有0.01~30%(重量),优选0.1~20%(重量)的一种或几种有催化活性的金属。优选的催化活性金属是镧系元素。带载体的催化剂,优选单斜晶二氧化锆,优选均匀地被0.1~10%(重量)的镧,铈,镨,钕,钐,铕或它们的混合物(尽可能以氧化物的形式)掺杂。氧化镧(III)的用量特别优选1~8%(重量)镧(III〕氧化物。一般用镧的水溶液或醇盐溶液浸渍二氧化锆来掺杂。也可以向这些催化剂中加入0.01~10%(重量)的铬,铁,钇,铪或锰作为掺杂剂。用镧掺杂的催化剂最好不含这种掺杂剂。例如在DE-A-195 09 552,DE-A-44 43 704,DE-A-44 28 994,EP-A-0 716 070,DE-A-44 19 514中公开了这类合适的催化剂。
同样可用诸如镍,铜,钴,钯,铂或锰,铬和其它金属,它们的混合物掺杂。
所说的掺杂能用诸如硝酸,乙酸或甲酸的金属盐或金属通过浸渍,涂层或喷雾来实现。最好用过渡金属掺杂。
本发明的催化剂能用于复杂的反应。实例包括氢化和/或脱氢,费-托合成,脱硫,异构化,聚合或蒸汽重整。尤其是,在异构化或聚合中使用硫酸化二氧化锆催化剂作为过量的酸。
其它的用途对于本领域内的熟练技术人员来说是已知的。
结合下面的实施例对本发明作更详细的说明。
实施例1
将二氯氧化锆(95%)溶解于水中5分多钟,得到锆浓度为0.34mol。在几秒钟内加入氨水溶液(Roth,浓度约25%)直到最终pH值为5,产生二氧化锆沉淀。在混合物沉淀后,搅拌7.5分钟,在下文规定的时间内,在90℃下陈化,然后过滤、用蒸馏水洗涤、在90℃下干燥24小时。以1℃/分钟的速度加热到550℃并在该温度下保持5小时。
如果没有陈化,得到的是四方晶。陈化24小时得到的是主要含有四方晶相和少量单斜晶相的混合相。陈化144小时得到的是主要含有单斜晶相和少量四方晶相的混合晶相。陈化432小时得到的是单一的单斜晶相。
用Cu-Kα射线来记录得到的煅烧试样的X-射线衍射图。
图1,从上到下分别表示未陈化和陈化24小时、144小时、432小时的试样的光谱,用强度I和衍射角(2θ)绘制。
通过定量评估衍射图测定单斜晶相的含量。在2θ=29.5~30.5范围内四方晶相有一个信号。在2θ=27.5~28.5和31~32范围内单斜晶相有二个信号。测量的准确度约5~10%。
这个实验表明通过陈化可使二氧化锆的晶相转化成单斜晶相。
实施例2
制备方法同实施例1,只是改变煅烧条件。以1℃/分的速度加热至煅烧温度,在该温度下保持4小时(煅烧类型A)。另一种情况,将试样放入预加热到煅烧温度的炉中(煅烧类型B)。所得结果列于下表。
                                       表1
  陈化时间(小时)  陈化温度(℃)  煅烧温度(℃)  煅烧时间(小时)  煅烧类型   BET表面积(m2/g)   晶相
    432     90     300     4     A     160 单斜晶
    432     90     300     3     B     160 单斜晶
    432     90     250     4.5     B     160 单斜晶
    432     90     400     4     B     130 单斜晶
    432     90     400     6     B     115 单斜晶
得到的二氧化锆全是单斜晶。具有大BET表面积的单斜晶二氧化锆是可以制备的。
实施例3
制备方法也同实施例1,只有在不同的时间内不同的温度下陈化沉淀物,随后过滤沉淀产品,用蒸馏水洗涤并在90℃下干燥24小时。然后以1℃/分的速度加热到300℃并保持4小时。所得结果列于下表2中。
                     表2
 陈化时间(小时)  陈化温度(℃)   BET表面积(m2/g)      晶相
    432     90     160     单斜晶
    24     135     160     单斜晶
结果表明提高陈化温度能明显地缩短陈化时间,而且仍能得到具有大表面积的单斜晶二氧化锆。
实施例4
制备方法同实施例1,只是在沉淀后,将所得到的含沉淀物的液相与硫酸铵溶液(Fluka,99%)混合,以便最后浓度为0.5M。将悬浮液搅拌2小时,然后再按实施例1描述的处理。不同陈化时间所得到的结果列入下表。
                   表3
 陈化时间(小时)  煅烧温度(℃)   BET表面积(m2/g)     晶相
    0     550     14     四方晶
    432     550     113     单斜晶
对于硫酸化二氧化锆而言,高煅烧温度获得大的BET表面积。比较例A(Appl.Catal.57(1990),128-129页)
用溶解在浓硝酸中的碳酸锆(含43重量的ZrO2)制备含15%(重量)ZrO2的硝酸氧锆。
在搅拌的同时泵抽加入水中的作为起始物料的氨水(含12.5重量%的氨)和硝酸氧锆溶液,在沉淀过程中使pH值保持在9.3。在后反应搅拌10分钟之后,pH值达到7.5,难闻气味已被硝酸除去。
洗涤、干燥并在400℃下煅烧沉淀产物。得到由60%四方晶和40%的单斜晶二氧化锆组成的细晶体粉末。
比较例B(按照FR-A-25 90 887,实施例1)
从浓度为60%的硝酸和用去离子水稀释的二氧化锆(含约44重量%的ZrO2)制备一种含3.75%(重量)(0.3摩尔)ZrO2的溶液。
将溶液(pH=7.5)装入搅拌容器中。然后在6分钟内泵入氨水溶液(含25重量%的氨),pH值达到10.4。
在压滤器中洗涤沉淀产物直到流出物的导电率数达到20μm/cm,然后在120℃下干燥,在400℃下煅烧2小时。所得到的BET表面积为149m2/g的二氧化锆是细晶粒,含有约80%的四方晶和约20%的单斜晶。
比较例C(按照Catalysis Today 20(1994),第296页)
用溶解在浓硝酸中的碳酸锆(含约43%的二氧化锆)制备含15%(重量)ZrO2的硝酸氧锆溶液,在搅拌的情况下回流加热;pH值低于1。约10分钟后出现浑浊,沸腾后浑浊加剧,最后产生沉淀。溶液被回流加热50小时之后,过滤、洗涤、干燥并在400℃下煅烧沉淀产物。产物的BET表面积为155m2/g,含有80%锆四方晶和20%单斜晶二氧化锆。
比较例D(按照EP-A-0 716 833,实施例1)
用浓硝酸溶解碳酸锆(含约43重量%的二氧化锆),得到一种含19%(重量)二氧化锆、密度为1.57g/ml的硝酸氧锆溶液。
将氨水溶液(含12.5%的NH3)装入搅拌容器中,在搅拌的情况下,在60分钟内泵抽碳酸氧锆溶液直到pH值为7.5。在这个过程中温度升高到54℃。经过后反应搅拌10分钟后,在压滤器中洗涤直到流出物的导电率为20μm/cm为止,然后在120℃下干燥,在400℃下煅烧。
产物为细晶体,具有的BET表面积为81m2/g。含有95%单斜晶和5%四方晶的二氧化锆。

Claims (1)

1.一种含至少80%(重量)的单斜晶和BET表面积至少为100m2/g的二氧化锆的制备方法,将锆盐水溶液与氨混合直到形成沉淀产物和水相且沉淀后pH值为4到6,在水相中在20~250℃下陈化沉淀产物至少2小时,干燥陈化后的沉淀产物并在200~600℃下煅烧。
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