Tuning of the active phase structure and hydrofining performance of alumina-supported tri-metallic WMoNi catalysts via phosphorus incorporation

Abstract

The effects of phosphorus on the structure and hydrofining performance of tri-metallic WMoNi/Al₂O₃ catalysts prepared with W/Mo-based hybrid precursor nanocrystals were investigated. The incorporation of phosphorus weakened the metal-support interactions (MSIs) and facilitated the formation of more synergetic NiWMoS phases with higher stacks. Catalytic tests using a fluid catalytic cracking diesel fuel showed that the changes in the MSIs and the morphology of the active phases had a more positive effect on the hydrodenitrogenation activity than on the hydrodesulfurization activity. In contrast, when phosphorus was incorporated into a tri-metallic WMoNiP/Al₂O₃ catalyst prepared by a conventional incipient impregnation method, the MSIs decreased causing aggregation of the metal species which resulted in poorer hydrofining performance of the catalyst. These results show that incorporating phosphorus into a WMoNi/Al₂O₃ catalyst can finely tune the structure of the active phase to enhance the hydrogenation and hydrodenitrogenation activity of the resulting tri-metallic catalyst.

Graphical abstract

Keywords

fluid catalytic cracking diesel / hydrofining performance / WMoNiP/Al₂O₃ / synergetic effect and structure of NiWMoS phases

References

[1] Chen W, Maugé  F, van Gestel J,  Nie H, Li  D, Long X. Effect of modification of the alumina acidity on the properties of supporperties of supported Mo and CoMo sulfide catalysts. Journal of Catalysis, 2013, 304: 47–62

[2] Zepeda T A, Pawelec  B, Obeso-Estrella R,  Díaz de León J N, Fuentes S,  Alonso-Núñez G,  Fierro J L G. Competitive HDS and HDN reactions over NiMoS/HMS-Al catalysts: Diminishing of the inhibition of HDS reaction by support modification with P. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 180: 569–579

[3] Díaz de León J N,  Zepeda T A,  Alonso-Nuñez G,  Galván D H,  Pawelec B,  Fuentes S. Insight of 1D γ-Al₂O₃ nanorods decoration by NiWS nanoslabs in ultra-deep hydrodesulfurization catalyst. Journal of Catalysis, 2015, 321: 51–61

[4] Furimsky E, Massoth  F E. Hydrodenitrogenation of petroleum. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 2005, 47(3): 297–489

[5] Pawelec B, Navarro  R M, Campos-Martin  J M, Fierro  J L G. Towards near zero-sulfur liquid fuels: A perspective review. Catalysis Science & Technology, 2011, 1(1): 23–42

[6] Stanislaus A, Marafi  A, Rana M S. Recent advances in the science and technology of ultra low sulfur diesel (ULSD) production. Catalysis Today, 2010, 153(1-2): 1–68

[7] Cervantes-Gaxiola M E,  Arroyo-Albiter M,  Pérez-Larios A,  Balbuena P B,  Espino-Valencia J. Experimental and theoretical study of NiMoW, NiMo, and NiW sulfide catalysts supported on an AlTiMg mixed oxide during the hydrodesulfurization of dibenzothiophene. Fuel, 2013, 113: 733–743

[8] Thomazeau C, Geantet  C, Lacroix M,  Danot M,  Harlé V,  Raybaud P. Predictive approach for the design of improved HDT catalysts: γ-Alumina supported (Ni, Co) promoted Mo_1−xW_xS₂ active phases. Applied Catalysis A, General, 2007, 322: 92–97

[9] Plantenga F L,  Cerfontain R,  Eijsbouts S,  van Houtert F,  Anderson G H,  Miseo S,  Soled S,  Riley K,  Fujita K,  Inoue Y. 89 “Nebula”: A hydroprocessing catalyst with breakthrough activity. Studies in Surface Science and Catalysis, 2003, 145: 407–410

[10] Park Y C, Oh  E S, Rhee  H K. Characterization and catalytic activity of WNiMo/Al₂O₃ catalyst for hydrodenitrogenation of pyridine. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1997, 36(12): 5083–5089

[11] van Haandel L,  Bremmer M,  Kooyman P J,  van Veen J A R,  Weber T,  Hensen E J M. Structure-activity correlations in hydrodesulfurization reactions over Ni-promoted Mo_xW_(1−x)S₂/Al₂O₃ catalysts. ACS Catalysis, 2015, 5(12): 7276–7287

[12] Shan S, Liu  H, Yue Y,  Shi G, Bao  X. Trimetallic WMoNi diesel ultra-deep hydrodesulfurization catalysts with enhanced synergism prepared from inorganic-organic hybrid nanocrystals. Journal of Catalysis, 2016, 344: 325–333

[13] Mushrush G W, Quintana  M A, Bauserman  J W, Willauer  H D. Post-refining removal of organic nitrogen compounds from diesel fuels to improve environmental quality. Journal of Environmental Science and Health. Part A, 2011, 46(2): 176–180

[14] Prins R. Catalytic hydrodenitrogenation. Advances in Catalysis, 2001, 46: 399–464

[15] Kraus H, Prins  R. The effect of phosphorus on oxidic NiMo(CoMo)/γ-Al₂O₃ catalysts: A solid state NMR investigation. Journal of Catalysis, 1997, 170(1): 20–28

[16] Daage M, Chianelli  R R. Structure-function relations in molybdenum sulfide catalysts: The “rim-edge” model. Journal of Catalysis, 1994, 149(2): 414–427

[17] Topsøe H. The role of Co–Mo–S type structures in hydrotreating catalysts. Applied Catalysis A, General, 2007, 322: 3–8

[18] Sun M, Nicosia  D, Prins R. The effects of fluorine, phosphate and chelating agents on hydrotreating catalysts and catalysis. Catalysis Today, 2003, 86(1-4): 173–189

[19] Xiang C E, Chai  Y M, Fan  J, Liu C G. Effect of phosphorus on the hydrodesulfurization and hydrodenitrogenation performance of presulfided NiMo/Al₂O₃ catalyst. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2011, 39(5): 355–360

[20] Shi L, Zhang  Z H, Qiu  Z G, Guo  F, Zhang W,  Zhao L F. Effect of phosphorus modification on the catalytic properties of Mo-Ni/Al₂O₃ in the hydrodenitrogenation of coal tar. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2015, 43(1): 74–80

[21] Rashidi F, Sasaki  T, Rashidi A M,  Nemati Kharat A,  Jozani K J. Ultradeep hydrodesulfurization of diesel fuels using highly efficient nanoalumina-supported catalysts: Impact of support, phosphorus, and/or boron on the structure and catalytic activity. Journal of Catalysis, 2013, 299: 321–335

[22] Usman Y T, Kubota  T, Okamoto Y. Effect of phosphorus addition on the active sites of a Co-Mo/Al₂O₃ catalyst for the hydrodesulfurization of thiophene. Applied Catalysis A, General, 2007, 328(2): 219–225

[23] Sigurdson S, Sundaramurthy  V, Dalai A K,  Adjaye J. Phosphorus promoted trimetallic NiMoW/γ-Al₂O₃ sulfide catalysts in gas oil hydrotreating. Journal of Molecular Catalysis A Chemical, 2008, 291(1-2): 30–37

[24] Han W, Yuan  P, Fan Y,  Shi G, Liu  H, Bai D,  Bao X. Preparation of supported hydrodesulfurization catalysts with enhanced performance using Mo-based inorganic-organic hybrid nanocrystals as a superior precursor. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(48): 25340–25353

[25] Shan S, Yuan  P, Han W,  Shi G, Bao  X. Supported NiW catalysts with tunable size and morphology of active phases for highly selective hydrodesulfurization of fluid catalytic cracking naphtha. Journal of Catalysis, 2015, 330: 288–301

[26] Fan Y, Lu  J, Shi G,  Liu H, Bao  X. Effect of synergism between potassium and phosphorus on selective hydrodesulfurization performance of Co-Mo/Al₂O₃ FCC gasoline hydro-upgrading catalyst. Catalysis Today, 2007, 125(3-4): 220–228

[27] Hensen E J M,  de Beer V H J,  van Veen J A R,  van Santen R A. A refinement on the notion of type I and II (Co)MoS phases in hydrotreating catalysts. Catalysis Letters, 2002, 84(1-2): 59–67

[28] Nikulshin P A,  Ishutenko D I,  Mozhaev A A,  Maslakov K I,  Pimerzin A A. Effects of composition and morphology of active phase of CoMo/Al₂O₃ catalysts prepared using Co₂Mo₁₀-heteropolyacid and chelating agents on their catalytic properties in HDS and HYD reactions. Journal of Catalysis, 2014, 312: 152–169

[29] Ramírez J, Gutiérrez-Alejandre  A. Characterization and hydrodesulfurization activity of W-based catalysts supported on Al₂O₃-TiO₂ mixed oxides. Journal of Catalysis, 1997, 170(1): 108–122

[30] Atanasova P, Tabakova  T, Vladov C,  Halachev T,  Lopez Agudo A. Effect of phosphorus concentration and method of preparation on the structure of the oxide form of phosphorus-nickel-tungsten/alumina hydrotreating catalysts. Applied Catalysis A, General, 1997, 161(1-2): 105–119

[31] Gutiérrez O Y,  Valencia D,  Fuentes G A,  Klimova T. Mo and NiMo catalysts supported on SBA-15 modified by grafted ZrO₂ species: Synthesis, characterization and evaluation in 4,6-dimethyldibenzothiophene hydrodesulfurization. Journal of Catalysis, 2007, 249(2): 140–153

[32] Mogica-Betancourt J C,  López-Benítez A,  Montiel-López J R,  Massin L,  Aouine M,  Vrinat M,  Berhault G,  Guevara-Lara A. Interaction effects of nickel polyoxotungstate with the Al₂O₃-MgO support for application in dibenzothiophene hydrodesulfurization. Journal of Catalysis, 2014, 313: 9–23

[33] Li Y, Pan  D, Yu C,  Fan Y, Bao  X. Synthesis and hydrodesulfurization properties of NiW catalyst supported on high-aluminum-content, highly ordered, and hydrothermally stable Al-SBA-15. Journal of Catalysis, 2012, 286: 124–136

[34] Campelo J M, Garcia  A, Luna D,  Marinas J M,  Romero A A. Characterization of acidity in AlPO₄-Al₂O₃ (5–15 wt-% Al₂O₃) catalysts using pyridine temperature programmed desorption. Thermochimica Acta, 1995, 265: 103–110

[35] Ferdous D, Dalai  A K, Adjaye  J. A series of NiMo/Al₂O₃ catalysts containing boron and phosphorus: Part I. Synthesis and characterization. Applied Catalysis A, General, 2004, 260(2): 137–151

[36] Huirache-Acuña R,  Zepeda T A,  Rivera-Muñoz E M,  Nava R, Loricera  C V, Pawelec  B. Characterization and HDS performance of sulfided CoMoW catalysts supported on mesoporous Al-SBA-16 substrates. Fuel, 2015, 149: 149–161

[37] Fan Y, Xiao  H, Shi G,  Liu H, Qian  Y, Wang T,  Gong G, Bao  X. Citric acid-assisted hydrothermal method for preparing NiW/USY-Al₂O₃ ultradeep hydrodesulfurization catalysts. Journal of Catalysis, 2011, 279(1): 27–35

[38] Nikulshin P A,  Salnikov V A,  Mozhaev A V,  Minaev P P,  Kogan V M,  Pimerzin A A. Relationship between active phase morphology and catalytic properties of the carbon-alumina-supported Co(Ni)Mo catalysts in HDS and HYD reactions. Journal of Catalysis, 2014, 309: 386–396

[39] Mendoza-Nieto J A,  Robles-Méndez F,  Klimova T E. Support effect on the catalytic performance of trimetallic NiMoW catalysts prepared with citric acid in HDS of dibenzothiophenes. Catalysis Today, 2015, 250: 47–59

[40] Xie F Y, Gong  L, Liu X,  Tao Y T,  Zhang W H,  Chen S H,  Meng H, Chen  J. XPS studies on surface reduction of tungsten oxide nanowire film by Ar⁺ bombardment. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 2012, 185(3): 112–118

[41] Wachs I E, Kim  T, Ross E I. Catalysis science of the solid acidity of model supported tungsten oxide catalysts. Catalysis Today, 2006, 116(2): 162–168

[42] Fan Y, Xiao  H, Shi G,  Liu H, Bao  X. A novel approach for modulating the morphology of supported metal nanoparticles in hydrodesulfurization catalysts. Energy & Environmental Science, 2011, 4(2): 572–582

[43] Amaya S L, Alonso-Núñez  G, Zepeda T A,  Fuentes S,  Echavarría A. Effect of the divalent metal and the activation temperature of NiMoW and CoMoW on the dibenzothiophene hydrodesulfurization reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 148-149: 221–230

[44] Hensen E J M,  Kooyman P J,  van der Meer Y,  van der Kraan A M,  de Beer V H J,  van Veen J A R,  van Santen R A. The relation between morphology and hydrotreating activity for supported MoS₂ particles. Journal of Catalysis, 2001, 199(2): 224–235

[45] Ferdous D, Dalai  A K, Adjaye  J. A series of NiMo/Al₂O₃ catalysts containing boron and phosphorus: Part II. Hydrodenitrogenation and hydrodesulfurization using heavy gas oil derived from Athabasca bitumen. Applied Catalysis A, General, 2004, 260(2): 153–162

[46] Trejo F, Rana  M S, Ancheyta  J, Chávez S. Influence of support and supported phases on catalytic functionalities of hydrotreating catalysts. Fuel, 2014, 138: 104–110

[47] Zdražil M. Recent advances in catalysis over sulphides. Catalysis Today, 1988, 3(4): 269–365

[48] Wang I, Chang  R C. Catalytic hydrodesulfurization and hydrodenitrogenation over Co-Mo on TiO₂-ZrO₂-V₂O₅. Journal of Catalysis, 1989, 117(1): 266–274

[49] Stanislaus A, Cooper  B H. Aromatic hydrogenation catalysis: A review. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 1994, 36(1): 75–123

Acknowledgements

We gratefully acknowledge the support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U1462203 and 21106182).

RIGHTS & PERMISSIONS

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature